TESLA COIL: HISTORIE, HVORDAN DEN FUNGERER, HVA DEN ER TIL FOR - FYSISK - 2026

Den Tesla-spolen er en vikling som fungerer som en høy spenning, høy-frekvensgenerator. Det ble oppfunnet av fysikeren Nikola Tesla (1856 - 1943), som patenterte det i 1891.

Magnetisk induksjon fikk Tesla til å tenke på muligheten for å overføre elektrisk energi uten intervensjon fra ledere. Derfor var ideen til forskeren og oppfinneren å lage et apparat som ville tjene til å overføre strøm uten å bruke kabler. Imidlertid er bruken av denne maskinen veldig ineffektiv, så den endte opp med å bli forlatt for kort tid til dette formålet.

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

Likevel kan Tesla-spoler fortsatt finnes med spesifikke bruksområder, for eksempel i pyloner eller i fysikkeksperimenter.

Historie

Spolen ble opprettet av Tesla kort tid etter at Hertz eksperimenter kom fram. Tesla kalte det selv "apparat for overføring av elektrisk energi." Tesla ønsket å bevise at strøm kunne overføres uten ledninger.

I sitt laboratorium i Colorado Springs hadde Tesla til disposisjon en enorm 16 meter lang spole festet til en antenne. Enheten ble brukt til å utføre forsendelser med energioverføring.

Eksperimenter med Tesla-spiraler.

Ved en anledning skjedde det en ulykke forårsaket av denne spolen der dynamoer fra et kraftverk som ligger 10 kilometer unna, ble brent. Som et resultat av feilen ble det produsert elektriske buer rundt viklingene av dynamoen.

Ingen av dem frarådet Tesla, som fortsatte å eksperimentere med mange spiraldesign, som nå er kjent under navnet hans.

Hvordan virker det?

Den berømte Tesla-spiralen er en av de mange designene som Nikola Tesla laget for å overføre strøm uten ledninger. De opprinnelige versjonene var store i størrelse og brukte høyspenning og høye strømkilder.

I dag er det naturlig nok mye mindre, kompakte og hjemmelagde design som vi vil beskrive og forklare i neste avsnitt.

Figur 2. Skjematisk av grunnleggende Tesla-spole. Kilde: self made.

Et design basert på de originale versjonene av Tesla-spolen er det som er vist på figuren over. Det elektriske diagrammet i forrige figur kan deles inn i tre seksjoner.

Kilde (F)

Kilden består av en vekselstrømgenerator og en transformator med høy forsterkning. Kildeproduksjonen er typisk mellom 10.000 V og 30.000 V.

Første LC 1-resonanskrets

Den består av en bryter S kjent som "Spark Gap" eller "Explosor", som lukker kretsløpet når en gnist hopper mellom endene. LC-kretsen 1 har også en kondensator Cl og en spole L1 koblet i serie.

Andre resonanskrets LC 2

LC-kretsen 2 består av en spole L2 som har et svingforhold på omtrent 100 til 1 i forhold til spolen L1 og en kondensator C2. Kondensator C2 kobles til spolen L2 gjennom bakken.

L2-spiralen er vanligvis en tråd viklet med en isolerende emalje på et rør av ikke-ledende materiale som keramikk, glass eller plast. Spole L1, selv om den ikke er vist slik i diagrammet, er viklet på spolen L2.

Kondensator C2, som alle kondensatorer, består av to metallplater. I Tesla-spiraler er en av C2-platene vanligvis i form av en sfærisk eller toroidal kuppel og er seriekoblet med L2-spolen.

Det andre brettet til C2 er miljøet i nærheten, for eksempel en metallisk sokkel ferdig i en kule og koblet til jord for å lukke kretsen med den andre enden av L2, også koblet til bakken.

Virkningsmekanismen

Når en Tesla-spole er på, lader høyspenningskilden kondensator C1. Når dette når en tilstrekkelig høy spenning, gjør det et gnisthopp i bryter S (gnistgap eller eksplosjon), og lukker resonanskretsen I.

Deretter tømmes kondensatoren Cl gjennom spolen L1 og genererer et variabelt magnetisk felt. Dette variable magnetfeltet passerer også gjennom spolen L2 og induserer en elektromotorisk kraft på spolen L2.

Fordi L2 er omtrent 100 svinger lenger enn L1, er den elektriske spenningen over L2 100 ganger større enn den over L1. Og siden i L1 er spenningen i størrelsesorden 10.000 volt, så vil den i L2 være 1 million volt.

Den magnetiske energien akkumulert i L2 overføres som elektrisk energi til kondensatoren C2, som når den når maksimale spenningsverdier i størrelsesorden en million volt, ioniserer luften, produserer en gnist og slippes brått ut gjennom bakken. Utslipp skjer mellom 100 og 150 ganger i sekundet.

LC1-kretsen kalles resonans fordi den akkumulerte energien i kondensatoren C1 går over til spolen L1 og omvendt; det vil si at det oppstår en svingning.

Det samme skjer i resonanskretsen LC2, der den magnetiske energien til spolen L2 overføres som elektrisk energi til kondensatoren C2 og omvendt. Det vil si at i kretsen produseres en tur / retur strøm vekselvis.

Den naturlige svingningsfrekvensen i en LC-krets er

Resonans og gjensidig induksjon

Når energien som tilføres LC-kretsene skjer med samme frekvens som den naturlige svingningsfrekvensen til kretsen, er energioverføringen optimal, og gir en maksimal forsterkning i kretsstrømmen. Dette fenomenet som er felles for alle svingende systemer er kjent som resonans.

LC1- og LC2-kretsene er magnetisk koblet, et annet fenomen som kalles gjensidig induksjon.

For at energioverføringen fra LC1-kretsen til LC2 og omvendt skal være optimal, må de naturlige svingningsfrekvensene til begge kretsene stemme overens, og de bør også samsvare med høyspenningskildens frekvens.

Dette oppnås ved å justere kapasitans- og induktansverdiene i begge kretsløp, slik at svingningsfrekvensene sammenfaller med kildefrekvensen:

Når dette skjer, overføres strøm fra kilden effektivt til LC1-kretsen og fra LC1 til LC2. I hver svingningssyklus øker den elektriske og magnetiske energien som akkumuleres i hver krets.

Når den elektriske spenningen over C2 er høy nok, frigjøres energi i form av lyn ved å slippe C2 til bakken.

Tesla coil bruker

Teslas opprinnelige idé i sine eksperimenter med disse spolene var alltid å finne en måte å overføre elektrisk energi over lange avstander uten kabling.

Imidlertid gjorde den lave effektiviteten av denne metoden på grunn av energitap ved spredning gjennom miljøet det nødvendig å lete etter andre midler for å overføre elektrisk kraftenergi. I dag brukes fortsatt kabling.

Plasmalampe, som bidro til å utvikle Teslas eksperiment.

Imidlertid er mange av Nikola Teslas originale ideer fremdeles til stede i dagens kablede overføringssystemer. For eksempel ble trappetransformatorer i elektriske transformatorstasjoner for overføring over kabler med færre tap, og trappetransformatorer for distribusjon i hjem, beregnet av Tesla.

Til tross for at de ikke har brukt stor skala, fortsetter Tesla-spoler å være nyttige i høyspenningselektrisk industri for testing av isolasjonssystemer, tårn og andre elektriske apparater som må fungere trygt. De brukes også i forskjellige show for å generere lyn og gnister, så vel som i noen fysikkeksperimenter.

Det er viktig å ta sikkerhetstiltak i høyspenningsforsøk med store Tesla-spoler. Et eksempel er bruken av Faraday-bur for å beskytte observatører og metalliske nettingdrakter for utøvere som deltar i show med disse hjulene.

Hvordan lage en hjemmelaget Tesla-spiral?

komponenter

Ingen høyspenning AC-kilde vil bli brukt i denne miniatyrversjonen av Tesla-spolen. Tvert imot, strømkilden vil være et 9 V batteri, som vist i diagrammet i figur 3.

Figur 3. Skjematisk for å bygge en mini Tesla-spole. Kilde: self made.

Den andre forskjellen fra den originale Tesla-versjonen er bruken av en transistor. I vårt tilfelle vil det være 2222A, som er en lavsignal NPN-transistor, men med en rask respons eller høy frekvens.

Kretsen har også en bryter S, en 3-svars primærspole L1 og en sekundærspole L2 på 275 omdreininger minimum, men den kan også være mellom 300 og 400 omdreininger.

Primærspolen kan bygges med en felles ledning med plastisolasjon, men den sekundære spolen krever en tynn ledning dekket med isolerende lakk, som er den som vanligvis brukes i viklinger. Rullingen kan gjøres på et papp eller et plastrør som er mellom 3 og 4 cm i diameter.

Bruker transistoren

Det må huskes at i Nikola Teslas tid var det ingen transistorer. I dette tilfellet erstatter transistoren "gnistgapet" eller "eksplosjonen" fra den opprinnelige versjonen. Transistoren vil bli brukt som en port som tillater eller ikke passering av strøm. For dette er transistoren polarisert som følger: samleren c til den positive terminalen og emitteren e til den negative terminalen til batteriet.

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

I vårt skjema er basen koblet til batteriets positive, men en 22 kilo ohm-motstand er satt inn for å begrense overskytende strøm som kan brenne transistoren.

Kretsen viser også en LED-diode som kan være rød. Funksjonen vil bli forklart senere.

I den frie enden av sekundærspolen L2 er det plassert en liten metallkule som kan lages ved å dekke en polystyrenkule eller en stiftpongkule med aluminiumsfolie.

Denne sfæren er platen til en kondensator C, den andre platen er miljøet. Dette er det som kalles parasittisk kapasitet.

Hvordan Mini Tesla-spolen fungerer

Når bryter S er lukket, er transistorens base positivt partisk, og den øvre enden av primærspolen er også positivt partisk. Så det vises brått en strøm som går gjennom primærspolen, fortsetter gjennom samleren, forlater senderen og går tilbake til batteriet.

Denne strømmen vokser fra null til en maksimal verdi på veldig kort tid, og det er derfor den induserer en elektromotorisk kraft i sekundærspolen. Dette produserer en strøm som går fra bunnen av L2-spolen til basen av transistoren. Denne strømmen stopper brått den positive polarisasjonen av basen slik at strømmen strømmer gjennom primærstoppene.

I noen versjoner fjernes LED-dioden og kretsen fungerer. Imidlertid forbedrer du effektiviteten når det gjelder å kutte transistorbaseforskjellen.

Hva skjer når strømmen sirkulerer?

Under syklusen med hurtig strømvekst i primærkretsen ble en elektromotorisk kraft indusert i sekundærspolen. Siden forholdet mellom svinger mellom primær og sekundær er 3 til 275, har den frie enden av spolen L2 en spenning på 825 V i forhold til bakken.

På grunn av det ovennevnte produseres et intenst elektrisk felt i sfæren til kondensator C som er i stand til å ionisere gassen ved lavt trykk i et neonrør eller lysrør som nærmer seg sfæren C og akselererer de frie elektronene inne i røret. som å begeistre atomene som produserer lysemisjonen.

Da strømmen brått opphørte gjennom spolen L1 og spolen L2 som ledes ut gjennom luften som omgir C mot bakken, startes syklusen på nytt.

Det viktige poenget i denne typen kretsløp er at alt skjer på veldig kort tid, slik at du har en høyfrekvent oscillator. I denne typen krets er flagringen eller den raske svingningen som produseres av transistoren viktigere enn resonansfenomenet som er beskrevet i forrige seksjon og viser til den opprinnelige versjonen av Tesla-spolen.

Foreslåtte eksperimenter med mini Tesla-spiraler

Når Tesla minispole er bygget, er det mulig å eksperimentere med den. Det er klart, lynet og gnistene fra de originale versjonene vil ikke bli produsert.

Imidlertid kan vi ved hjelp av en lysrør eller et neonrør observere hvordan den kombinerte effekten av det intense elektriske feltet som genereres i kondensatoren på slutten av spolen og den høye svingningsfrekvensen til det feltet, gjør lampen lyser bare når du kommer til kondensatorsfæren.

Det sterke elektriske feltet ioniserer lavtrykksgassen i røret, og etterlater frie elektroner i gassen. Dermed får kretsens høye frekvens de frie elektronene inne i lysrøret til å akselerere og begeistre det lysstoffpulveret som fester seg til den indre veggen i røret, og får det til å avgi lys.

Du kan også bringe en lysende LED nærmere sfæren C, og se hvordan den lyser selv når LED-pinnene ikke er koblet til.

referanser

1. Blake, T. Tesla spoleteori. Gjenopprettet fra: tb3.com.
2. Burnett, R. Betjening av Tesla-spolen. Gjenopprettet fra: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. 7. utgave. MacGraw Hill. 626-628.
4. University of Wisconsin-Madison. Tesla spiral. Gjenopprettet fra: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla spiral. Gjenopprettet fra: wikiwand.com.