TESLA SPIRAL: HISTORIA, HUR DEN FUNGERAR, VAD DEN ÄR TILL FÖR - FYSISK - 2025

Den Tesla spolen är en lindning som fungerar som en hög spänning och hög-frekvensgenerator. Det uppfanns av fysikern Nikola Tesla (1856 - 1943), som patenterade den 1891.

Magnetinduktion fick Tesla att fundera över möjligheten att överföra elektrisk energi utan ingrepp av ledare. Därför var forskaren och uppfinnarens idé att skapa en enhet som skulle tjäna till att överföra el utan att använda kablar. Användningen av denna maskin är emellertid mycket ineffektiv, så det slutade att det snart övergavs för detta ändamål.

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

Trots detta kan Tesla-spolar fortfarande hittas med vissa specifika tillämpningar, såsom i pyloner eller i fysiksexperiment.

Historia

Spolen skapades av Tesla strax efter Hertzs ​​experiment kom fram. Tesla själv kallade det "apparat för överföring av elektrisk energi." Tesla ville bevisa att el kunde överföras utan ledningar.

I sitt Colorado Springs-laboratorium hade Tesla till sin förfogande en enorm 16-meters spole fäst vid en antenn. Enheten användes för att utföra energiöverföringsexperiment.

Experimentera med Tesla-spolar.

Vid ett tillfälle inträffade en olycka orsakad av denna spole där dynamos från ett kraftverk som ligger 10 kilometer bort brändes. Som ett resultat av misslyckandet framställdes elektriska bågar runt dynamornas lindningar.

Ingen av dem avskräckte Tesla, som fortsatte att experimentera med många spolkonstruktioner, som nu är kända under hans namn.

Hur fungerar det?

Den berömda Tesla-spolen är en av de många mönster som Nikola Tesla gjorde för att överföra el utan ledningar. De ursprungliga versionerna var stora i storlek och använde högspänningskällor och högströmskällor.

Naturligtvis finns det i dag mycket mindre, kompakta och hemlagade mönster som vi kommer att beskriva och förklara i nästa avsnitt.

Bild 2. Schematisk över den grundläggande Tesla-spolen. Källa: självgjord.

En design baserad på originalversionerna av Tesla-spolen är den som visas i figuren ovan. Det elektriska diagrammet i föregående figur kan delas upp i tre sektioner.

Källa (F)

Källan består av en växelströmgenerator och en transformator med hög förstärkning. Källutgången är vanligtvis mellan 10.000 V och 30.000 V.

Första LC 1-resonanskrets

Den består av en switch S, känd som "Spark Gap" eller "Explosor", som stänger kretsen när en gnista hoppar mellan dess ändar. LC-kretsen 1 har också en kondensator Cl och en spole L1 anslutna i serie.

Andra resonanskrets LC2

LC-kretsen 2 består av en spole L2 med ett vridningsförhållande av ungefär 100 till 1 relativt spolen L1 och en kondensator C2. Kondensator C2 ansluts till spolen L2 genom marken.

L2-spiralen är vanligtvis en tråd lindad med en isolerande emalj på ett rör av icke-ledande material såsom keramik, glas eller plast. Spolen L1, även om den inte visas så här i diagrammet, lindas på spolen L2.

Kondensator C2 består, liksom alla kondensatorer, av två metallplattor. I Tesla-spolar är en av C2-plattorna vanligtvis i form av en sfärisk eller toroidal kupol och är seriekopplad med L2-spolen.

Det andra kortet i C2 är den närliggande miljön, till exempel en metallisk piedestal färdig i en sfär och ansluten till mark för att stänga kretsen med den andra änden av L2, också ansluten till marken.

Handlingsmekanism

När en Tesla-spole är påslagen laddar högspänningskällan kondensator C1. När detta når en tillräckligt hög spänning, gör det ett gnistahopp i omkopplaren S (gnistgap eller explosiv) och stänger resonanskretsen I.

Sedan släpper kondensatorn Cl ut genom spolen L1 och alstrar ett variabelt magnetfält. Detta variabla magnetfält passerar också genom spolen L2 och inducerar en elektromotorisk kraft på spolen L2.

Eftersom L2 är cirka 100 varv längre än L1, är den elektriska spänningen över L2 100 gånger större än den över L1. Och eftersom i L1 är spänningen i storleksordningen 10 000 volt, då i L2 kommer den att vara 1 miljon volt.

Den magnetiska energin som ackumuleras i L2 överförs som elektrisk energi till kondensatorn C2, som när den når maximala spänningsvärden i storleksordningen en miljon volt jonerar luften, alstrar en gnista och plötsligt släpps ut genom marken. Utsläpp sker mellan 100 och 150 gånger per sekund.

LC1-kretsen kallas resonans eftersom den ackumulerade energin i kondensatorn C1 passerar till spolen L1 och vice versa; det vill säga en svängning inträffar.

Samma sak händer i resonanskretsen LC2, i vilken den magnetiska energin hos spolen L2 överförs som elektrisk energi till kondensatorn C2 och vice versa. Det vill säga att i kretsen produceras en tur / returström växelvis.

Den naturliga svängningsfrekvensen i en LC-krets är

Resonans och ömsesidig induktion

När energin som tillförs LC-kretsarna sker på samma frekvens som kretsens naturliga frekvens svängningsfrekvens, är energiöverföringen optimal, vilket ger en maximal förstärkning i kretsströmmen. Detta fenomen som är vanligt för alla oscillerande system kallas resonans.

LC1- och LC2-kretsarna är magnetiskt kopplade, ett annat fenomen som kallas ömsesidig induktion.

För optimal energiöverföring från LC1-kretsen till LC2 och vice versa måste de naturliga svängningsfrekvenserna för båda kretsarna matcha, och de bör också matcha frekvensen för högspänningskällan.

Detta uppnås genom att justera värdena för kapacitans och induktans i båda kretsarna, så att svängningsfrekvenserna sammanfaller med källfrekvensen:

När detta inträffar överförs kraft från källan effektivt till LC1-kretsen och från LC1 till LC2. I varje svängningscykel ökar den elektriska och magnetiska energin som ackumuleras i varje krets.

När den elektriska spänningen över C2 är tillräckligt hög, frigörs energi i form av blixt genom att lämna C2 till marken.

Tesla spole använder

Teslas ursprungliga idé i sina experiment med dessa spolar var alltid att hitta ett sätt att överföra elektrisk energi över långa avstånd utan ledningar.

Men den låga effektiviteten för denna metod på grund av energiförluster genom spridning genom miljön gjorde det nödvändigt att leta efter andra medel för att överföra elektrisk energi. Idag används kablar fortfarande.

Plasmalampa, som hjälpte till att utveckla Teslas experiment.

Många av Nikola Teslas ursprungliga idéer finns dock fortfarande i dagens trådbundna överföringssystem. Exempelvis utformades trapptransformatorer i elektriska transformatorstationer för överföring över kablar med färre förluster, och avvikande transformatorer för distribution i hem, av Tesla.

Trots att de inte använder storskalig användning fortsätter Tesla-spolar att vara användbara i högspänningselektrisk industri för att testa isoleringssystem, torn och andra elektriska apparater som måste fungera säkert. De används också i olika show för att generera blixtar och gnistor, liksom i vissa fysikexperiment.

Det är viktigt att vidta säkerhetsåtgärder i högspänningsförsök med stora Tesla-spolar. Ett exempel är användningen av Faraday-burar för att skydda observatörer och metalliska nätdräkter för artister som deltar i utställningar med dessa rullar.

Hur gör jag en hemlagad Tesla-spole?

Komponenter

Ingen högspänningsströmkälla kommer att användas i denna miniatyrversion av Tesla-spolen. Tvärtom kommer kraftkällan att vara ett 9 V-batteri, som visas i diagrammet i figur 3.

Figur 3. Schematisk för att bygga en mini-Tesla-spole. Källa: självgjord.

Den andra skillnaden från den ursprungliga Tesla-versionen är användningen av en transistor. I vårt fall kommer det att vara 2222A, som är en NPN-transistor med låg signal men med ett snabbt svar eller hög frekvens.

Kretsen har också en omkopplare S, en 3-varks primärspole L1 och en sekundärspole L2 på minst 275 varv, men den kan också vara mellan 300 och 400 varv.

Den primära spolen kan byggas med en gemensam tråd med plastisolering, men den sekundära spolen kräver en tunn tråd täckt med isolerande lack, vilket är den som vanligtvis används i lindningar. Lindningen kan göras på ett kartong eller plaströr med en diameter mellan 3 och 4 cm.

Använda transistorn

Det bör komma ihåg att under Nikola Teslas tid fanns det inga transistorer. I detta fall ersätter transistorn "gnistgapet" eller "explosorn" i den ursprungliga versionen. Transistorn kommer att användas som en grind som möjliggör genomströmning eller inte. För detta är transistorn polariserad enligt följande: kollektorn c till den positiva terminalen och emittern e till batteriets negativa terminal.

När basen b har en positiv polarisering tillåter den att ström passerar från kollektorn till emittern, och annars förhindrar den den.

I vårt schema är basen ansluten till batteriets positiva, men ett 22 kilo ohm-motstånd sätts in för att begränsa överskottsströmmen som kan bränna transistorn.

Kretsen visar också en LED-diod som kan vara röd. Funktionen kommer att förklaras senare.

I den fria änden av sekundärspolen L2 placeras en liten metallkula, som kan tillverkas genom att täcka en polystyrenkula eller en stiftpongkula med aluminiumfolie.

Denna sfär är plattan för en kondensator C, den andra plattan är miljön. Detta är vad som kallas parasitkapacitet.

Så fungerar Mini Tesla-spolen

När omkopplaren S är stängd, är transistorns bas positivt förspänd, och den övre änden av primärspolen är också positivt partisk. Så en plötslig plötslig dyker upp som passerar genom den primära spolen, fortsätter genom samlaren, lämnar sändaren och återgår till batteriet.

Denna ström växer från noll till ett maximivärde på mycket kort tid, varför den inducerar en elektromotorisk kraft i sekundärspolen. Detta ger en ström som går från botten av L2-spolen till transistorns bas. Denna ström upphör abrupt den positiva polarisationen av basen så att strömmen flödar genom de primära stoppen.

I vissa versioner tas LED-dioden bort och kretsen fungerar. Att placera den förbättrar emellertid effektiviteten vid skärning av transistorbasförspänningen.

Vad händer när strömmen cirkulerar?

Under cykeln med snabb strömtillväxt i primärkretsen inducerades en elektromotorisk kraft i sekundärspolen. Eftersom förhållandet mellan varv mellan primär och sekundär är 3 till 275 har den fria änden på spolen L2 en spänning på 825 V med avseende på jord.

På grund av ovanstående produceras ett intensivt elektriskt fält i kondensatorns sfär som kan jonisera gasen vid lågt tryck i ett neonrör eller lysrör som närmar sig sfären C och accelererar de fria elektronerna inuti röret. som att väcka atomerna som producerar ljusemissionen.

När strömmen plötsligt upphörde genom spolen L1 och spolen L2 släpps ut genom luften som omger C mot marken startas cykeln på nytt.

Den viktiga punkten i denna typ av kretsar är att allt händer på mycket kort tid, så att du har en högfrekvent oscillator. I denna typ av kretsar är den fladder eller snabba oscillationen som produceras av transistorn viktigare än resonansfenomenet som beskrivs i föregående avsnitt och med hänvisning till den ursprungliga versionen av Tesla-spolen.

Föreslagna experiment med mini Tesla-spolar

När Tesla minispole är byggd är det möjligt att experimentera med den. Uppenbarligen kommer blixt och gnistor från originalversionerna inte att produceras.

Men med hjälp av en lysrör eller ett neonrör kan vi se hur den kombinerade effekten av det intensiva elektriska fältet som genereras i kondensatorn i slutet av spolen och den höga frekvensen för svängning av det fältet gör lampan tänds bara närmar du kondensorns sfär.

Det starka elektriska fältet jonerar lågtrycksgasen i röret och lämnar fria elektroner i gasen. Således förorsakar kretsens höga frekvens de fria elektronerna i lysröret att accelerera och väcka det lysrörspulver som fäster vid rörets innervägg, vilket får det att avge ljus.

Du kan också föra en lysande LED närmare sfär C och se hur den tänds även när LED-stiften inte har anslutits.

referenser

1. Blake, T. Tesla spolteori. Återställd från: tb3.com.
2. Burnett, R. Drift av Tesla-spolen. Återställd från: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fysik: begrepp och tillämpningar. 7: e upplagan. MacGraw Hill. 626-628.
4. University of Wisconsin-Madison. Teslaspolen. Återställd från: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Teslaspolen. Återställd från: wikiwand.com.