Det Tesla spole Det er en vikling, der fungerer som en højspændings- og højfrekvensgenerator. 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 ledere. Derfor var videnskabsmandens og opfinderens idé at skabe en enhed, der skulle tjene til at overføre elektricitet uden brug af kabler. Imidlertid er brugen af denne maskine meget ineffektiv, så den endte med at blive opgivet kort tid efter til dette formål..
Alligevel kan Tesla-spoler stadig findes med nogle specifikke applikationer, såsom i pyloner eller i fysikeksperimenter..
Artikelindeks
Spolen blev skabt af Tesla kort efter, at Hertz's eksperimenter kom frem. Tesla kaldte det selv "apparat til transmission af elektrisk energi." Tesla ønskede at bevise, at elektricitet kunne overføres trådløst.
I sit laboratorium i Colorado Springs havde Tesla en enorm 16-meters spole fastgjort til en antenne. Enheden blev brugt til at gennemføre eksperimenter med energitransmission.
Ved en lejlighed var der en ulykke forårsaget af denne spole, hvor dynamoer fra et anlæg placeret 10 kilometer væk blev brændt. Som et resultat af svigtet blev der produceret elektriske buer omkring dynamoernes viklinger.
Intet af det afskrækkede Tesla, der fortsatte med at eksperimentere med mange spoledesign, som i dag går under hans navn..
Den berømte Tesla-spole er et af mange designs, som Nikola Tesla lavede for at overføre elektricitet uden ledninger. De originale versioner var store i størrelse og brugte kilder med høj spænding og høj strøm..
Naturligvis er der i dag meget mindre, mere kompakte og hjemmelavede designs, som vi vil beskrive og forklare i det næste afsnit..
Et design baseret på de originale versioner af Tesla-spolen er det, der er vist i figuren ovenfor. Det elektriske diagram i den foregående figur kan opdeles i tre sektioner.
Kilden består af en vekselstrømsgenerator og en transformator med høj forstærkning. Kildens output er typisk mellem 10.000 V og 30.000 V..
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..
LC-kredsløbet 2 består af en spole L2, der har et drejningsforhold på ca. 100 til 1 i forhold til spolen L1 og en kondensator C2. Kondensator C2 forbinder til spole L2 gennem jorden.
L2-spolen er normalt en tråd viklet med en isolerende emalje på et rør fremstillet af ikke-ledende materiale såsom keramik, glas eller plast. Spolen L1 er, selvom den ikke er vist sådan i diagrammet, viklet på spolen L2.
Kondensator C2 består ligesom alle kondensatorer af to metalplader. I Tesla-spoler er en af C2-pladerne normalt i form af en sfærisk eller toroidformet kuppel og er forbundet i serie med L2-spolen..
Det andet bord på 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.
Når en Tesla-spole er tændt, oplader højspændingskilden kondensator C1. Når dette når en tilstrækkelig høj spænding, får det et gnistspring i afbryder S (gnistgab eller eksplosor), der lukker resonanskredsløb I.
Derefter aflades kondensatoren C1 gennem spolen L1 og genererer et variabelt magnetfelt. Dette variable magnetfelt passerer også gennem spole L2 og inducerer en elektromotorisk kraft på spole L2..
Fordi L2 er ca. 100 omdrejninger længere end L1, er den elektriske spænding over L2 100 gange større end den over L1. Og da i L1 er spændingen i størrelsesordenen 10 tusind volt, så i L2 vil den 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 af 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 passerer til spolen L1 og omvendt; der er en svingning.
Det samme sker i resonanskredsløbet LC2, hvor den magnetiske energi i spolen L2 overføres som elektrisk energi til kondensatoren C2 og omvendt. Det vil sige, at der i kredsløbet produceres en alternativ returstrøm.
Den naturlige svingningsfrekvens i et LC-kredsløb er
Når den energi, der tilføres LC-kredsløbene, forekommer med den samme frekvens som den naturlige frekvens for svingning af kredsløbet, er energioverførslen optimal og producerer en maksimal forstærkning i kredsløbets strøm. Dette fænomen, der er fælles for alle oscillerende systemer, er kendt som resonans.
LC1- og LC2-kredsløbene er magnetisk koblet, et andet fænomen kaldes gensidig induktion.
For at energioverførslen fra LC1-kredsløbet til LC2 og omvendt skal være optimal, skal frekvenserne for naturlig svingning af begge kredsløb matche, og de skal også matche frekvensen af højspændingskilden.
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 øges 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 aflade C2 til jorden..
Teslas oprindelige idé i hans eksperimenter med disse spoler var altid at finde en måde at overføre elektrisk energi over lange afstande uden ledninger..
Den lave effektivitet ved denne metode på grund af energitab ved spredning gennem miljøet gjorde det imidlertid nødvendigt at lede efter andre måder til at overføre elektrisk energi. I dag bruges ledninger stadig.
Imidlertid er mange af Nikola Teslas originale ideer stadig til stede i nutidens kablede transmissionssystemer. For eksempel blev Tesla udviklet step-up transformere i elektriske transformerstationer til transmission over kabler med færre tab og step-down transformere til distribution af hjem..
På trods af ikke at have brugt i stor skala, er Tesla-spoler fortsat nyttige i højspændingselektrisk industri til test af isoleringssystemer, tårne og andre elektriske enheder, der skal fungere sikkert. De bruges også i forskellige shows til at generere lyn og gnister såvel som i nogle fysikeksperimenter..
I højspændingseksperimenter med store Tesla-spoler er det vigtigt at tage sikkerhedsforanstaltninger. Et eksempel er brugen af Faraday-bure til beskyttelse af observatører og metalnetdragter til kunstnere, der deltager i shows med disse hjul..
Ingen højspændings AC-kilde vil blive brugt i denne miniatureversion af Tesla-spolen. Tværtimod vil energikilden være et 9 V batteri som vist i diagrammet i figur 3.
Den anden forskel fra den originale Tesla-version er brugen af en transistor. I vores tilfælde vil det være 2222A, som er en NPN-transistor med lavt signal, men med en hurtig respons eller høj frekvens..
Kredsløbet har også en switch S, en primærspole L1 på 3 omdrejninger og en sekundærspole L2 på mindst 275 omdrejninger, men det kan også være mellem 300 og 400 omdrejninger.
Den primære spole kan bygges med en fælles ledning med plastisolering, men den sekundære kræver en tynd ledning dækket med isolerende lak, som er den, der normalt bruges i viklinger. Opviklingen kan udføres på et pap eller et plastrør, der har en diameter på mellem 3 og 4 cm.
Det skal huskes, at der i Nikola Teslas tid ikke var nogen transistorer. I dette tilfælde erstatter transistoren "gnistgab" eller "eksplosor" i den originale version. Transistoren vil blive brugt som en port, der tillader eller ikke tillader strøm passage. Til dette er transistoren polariseret således: samleren c til den positive terminal og emitteren og til batteriets minuspol.
Når basen b har positiv polarisering, så tillader det passage af strøm fra samleren til emitteren og på anden måde forhindrer den.
I vores skema er basen forbundet med batteriets positive, men en 22 kilo ohm modstand er indsat for at begrænse den overskydende strøm, der kan brænde transistoren..
Kredsløbet viser også en LED-diode, der kan være rød. Dens funktion vil blive forklaret senere..
I den frie ende af sekundærspolen L2 placeres en lille metalkugle, som kan fremstilles ved at dække en polystyrenkugle eller en pinpongkugle med aluminiumsfolie..
Denne kugle er pladen på en kondensator C, mens den anden plade er miljøet. Dette er hvad der er kendt som parasitisk kapacitet.
Når afbryder S er lukket, er transistorens bund positivt forspændt, og den øvre ende af den primære spole er også positivt forspændt. Så en strøm vises pludselig, der passerer gennem den primære spole, fortsætter gennem samleren, går gennem emitteren og vender tilbage til stakken..
Denne strøm vokser fra nul til en maksimumsværdi på meget kort tid, hvorfor den inducerer en elektromotorisk kraft i sekundærspolen. Dette producerer en strøm, der går fra bunden af L2-spolen til transistorens bund. Denne strøm ophører pludselig den positive polarisering af basen, så strømmen af strøm gennem de primære stop..
I nogle versioner fjernes LED-dioden, og kredsløbet fungerer. Placering af det forbedrer imidlertid effektiviteten ved at skære transistorbasisens forspænding..
Under cyklussen med hurtig strømvækst i det primære kredsløb blev en elektromotorisk kraft induceret i den sekundære spole. Da forholdet mellem omdrejninger mellem primær og sekundær er 3 til 275, har den frie ende af spolen L2 en spænding på 825 V i forhold til jord.
På grund af ovenstående produceres et intenst elektrisk felt i kondensatorens C-sfære, der er i stand til at ionisere gassen ved et lavt tryk i et neonrør eller en fluorescerende lampe, der nærmer sig sfære C og fremskynder de frie elektroner inde i røret ophids atomer, der producerer lysemission.
Da strømmen brat ophørte gennem spole L1 og spole L2, der udledes gennem luften omkring C mod jorden, genstartes cyklussen.
Det vigtige punkt i denne type kredsløb er, at alt sker på meget kort tid, så du har en højfrekvent oscillator. I denne type kredsløb er swishing eller hurtig svingning produceret af transistoren vigtigere end resonansfænomenet beskrevet i det foregående afsnit og henviser til den originale version af Tesla-spolen..
Når Tesla minispolen er bygget, er det muligt at eksperimentere med den. Det er klart, at lynet og gnisterne i de originale versioner ikke produceres.
Men ved hjælp af en lysstofrør eller et neonrør kan vi observere, hvordan den kombinerede virkning af det intense elektriske felt, der genereres i kondensatoren i slutningen af spolen, og den høje frekvens for svingning af dette felt, gør lampen lyser lige op mod kondensorkuglen.
Det stærke elektriske felt ioniserer lavtryksgassen i røret og efterlader frie elektroner i gassen. Således får den høje frekvens af kredsløbet de frie elektroner inde i lysstofrøret til at accelerere og excitere det fluorescerende pulver, der klæber til rørets indre væg, hvilket får det til at udsende lys..
En lysende LED kan også bringes tættere på sfære C, idet man observerer, hvordan den lyser, selv når LED-stifterne ikke er tilsluttet..
Endnu ingen kommentarer