TESLA COIL: HISTÓRIA, AKO TO FUNGUJE, NA ČO SLÚŽI - FYZICKÝ - 2024

Tesla coil je vinutie, ktorá slúži ako vysokého napätia, vysokofrekvenčný generátor. Vynašiel ho fyzik Nikola Tesla (1856 - 1943), ktorý ho patentoval v roku 1891.

Magnetická indukcia prinútila Teslu premýšľať o možnosti prenosu elektrickej energie bez zásahu vodičov. Preto predstavou vedca a vynálezcu bolo vytvoriť zariadenie, ktoré by slúžilo na prenos elektriny bez použitia káblov. Používanie tohto stroja je však veľmi neefektívne, a preto sa na tento účel skončilo zanedlho.

Obrázok 1. Preukázanie pomocou Teslovej cievky. Zdroj: Pixabay.

Napriek tomu je možné Teslove cievky nájsť pri niektorých špecifických aplikáciách, napríklad v stožiaroch alebo vo fyzických experimentoch.

histórie

Cievka bola vytvorená Teslou krátko po objavení Hertzových experimentov. Tesla to nazval „prístroj na prenos elektrickej energie“. Tesla chcel dokázať, že elektrina sa môže prenášať bez drôtov.

Tesla mal v laboratóriu v Colorado Springs k dispozícii obrovskú cievku 16 metrov pripojenú k anténe. Zariadenie sa použilo na uskutočnenie experimentov na prenos energie.

Experimentujte s Teslovými cievkami.

Pri jednej príležitosti došlo k nehode spôsobenej touto cievkou, pri ktorej boli spálené dynamá z elektrárne vzdialenej 10 kilometrov. V dôsledku poruchy sa vytvorili elektrické oblúky okolo vinutí dynamá.

Nič z toho neodradilo Teslu, ktorý pokračoval v experimentovaní s mnohými návrhmi cievok, ktoré sú teraz známe pod jeho menom.

Ako to funguje?

Slávna Tesla cievka je jedným z mnohých vzorov, ktoré urobil Nikola Tesla na prenos elektriny bez drôtov. Pôvodné verzie boli veľké a používali zdroje vysokého napätia a vysokého prúdu.

Prirodzene dnes existujú oveľa menšie, kompaktné a domáce návrhy, ktoré opíšeme a vysvetlíme v nasledujúcej časti.

Obrázok 2. Schéma základnej Teslovej cievky. Zdroj: vlastný.

Dizajn založený na pôvodných verziách Teslovej cievky je na obrázku vyššie. Elektrická schéma na predchádzajúcom obrázku môže byť rozdelená do troch častí.

Zdroj (F)

Zdroj pozostáva z generátora striedavého prúdu a transformátora s vysokým ziskom. Výstup zdroja je zvyčajne medzi 10 000 V a 30 000 V.

Prvý LC 1 rezonančný obvod

Pozostáva zo spínača S známeho ako „Spark Gap“ alebo „Explosor“, ktorý uzatvára obvod, keď medzi jeho koncami preskočí iskra. Obvod LC 1 má tiež kondenzátor Cl a cievku L1 zapojenú do série.

Druhý rezonančný obvod LC 2

Obvod LC 2 pozostáva z cievky L2, ktorá má pomer otáčania približne 100 ku 1 vo vzťahu k cievke L1 a kondenzátora C2. Kondenzátor C2 sa pripája k cievke L2 cez zem.

Cievka L2 je zvyčajne drôtom navinutá s izolačným lakom na rúrke z nevodivého materiálu, ako je keramika, sklo alebo plast. Cievka L1, hoci nie je na diagrame znázornená takto, je navinutá na cievku L2.

Kondenzátor C2, rovnako ako všetky kondenzátory, pozostáva z dvoch kovových dosiek. V Teslovych cievkach je jedna z dosiek C2 obvykle v tvare sférickej alebo toroidnej kupoly a je sériovo spojená s cievkou L2.

Druhou doskou C2 je okolité prostredie, napríklad kovový podstavec dokončený v gule a pripojený k zemi, aby sa uzavrel obvod s druhým koncom L2, tiež pripojený k zemi.

Mechanizmus akcie

Keď je zapnutá Teslova cievka, zdroj vysokého napätia nabíja kondenzátor C1. Keď toto dosiahne dostatočne vysoké napätie, dôjde k iskrovému skoku v spínači S (iskra alebo výbušnina), čím sa uzavrie rezonančný obvod I.

Potom sa kondenzátor C1 vybije cievkou L1 a vytvorí premenlivé magnetické pole. Toto variabilné magnetické pole tiež prechádza cievkou L2 a indukuje elektromotorickú silu na cievku L2.

Pretože L2 je asi o 100 otáčok dlhšia ako L1, elektrické napätie na L2 je 100-krát väčšie ako na L1. A keďže v L1 je napätie rádovo 10 000 voltov, potom v L2 to bude 1 milión voltov.

Magnetická energia akumulovaná v L2 sa prenáša ako elektrická energia do kondenzátora C2, ktorý keď dosiahne maximálne hodnoty napätia rádovo milión voltov, ionizuje vzduch, vytvorí iskru a je náhle vybitý cez zem. Výboje sa vyskytujú medzi 100 a 150-krát za sekundu.

Obvod LC1 sa nazýva rezonančný, pretože akumulovaná energia v kondenzátore C1 prechádza do cievky L1 a naopak; to znamená, že dôjde k oscilácii.

To isté sa deje v rezonančnom obvode LC2, v ktorom sa magnetická energia cievky L2 prenáša ako elektrická energia na kondenzátor C2 a naopak. To znamená, že v obvode je striedavý prúd produkovaný striedavo.

Prirodzená frekvencia kmitania v LC obvode je

Rezonancia a vzájomná indukcia

Ak sa energia privádzaná do LC obvodov vyskytuje pri rovnakej frekvencii ako prirodzená frekvencia kmitania obvodu, potom je prenos energie optimálny, čo vedie k maximálnemu zosilneniu prúdu v obvode. Tento jav spoločný pre všetky kmitajúce systémy sa nazýva rezonancia.

Obvody LC1 a LC2 sú magneticky spojené, ďalší jav nazývaný vzájomná indukcia.

Aby bol prenos energie z obvodu LC1 do LC2 a naopak optimálny, musia sa kmitočty prirodzeného kmitania oboch obvodov zhodovať a tiež by sa mali zhodovať s frekvenciou zdroja vysokého napätia.

Toto sa dosiahne úpravou hodnôt kapacity a indukčnosti v oboch obvodoch tak, aby sa kmitočty kmitania zhodovali so zdrojovou frekvenciou:

Ak k tomu dôjde, energia zo zdroja sa efektívne prevádza do obvodu LC1 a z LC1 do LC2. V každom cykle kmitania sa zvyšuje elektrická a magnetická energia akumulovaná v každom obvode.

Keď je elektrické napätie cez C2 dosť vysoké, potom sa energia uvoľní vo forme blesku prepustením C2 do zeme.

Tesla používa cievku

Teslov pôvodný nápad v jeho experimentoch s týmito cievkami bol vždy nájsť spôsob, ako prenášať elektrickú energiu na veľké vzdialenosti bez zapojenia.

Nízka účinnosť tohto spôsobu v dôsledku energetických strát rozptylom v prostredí si však vyžadovala hľadanie ďalších prostriedkov na prenos elektrickej energie. V súčasnosti sa káble stále používajú.

Plazmová lampa, ktorá pomohla vyvinúť Teslov experiment.

V dnešných káblových prenosových systémoch je však stále veľa pôvodných nápadov Nikola Tesly. Napríklad spoločnosť Tesla navrhla zosilňovacie transformátory v elektrických rozvodniach na prenos cez káble s menšími stratami a transformátory na distribúciu v domácnostiach.

Napriek tomu, že sa Tesla cievky nepoužívajú vo veľkom meradle, sú naďalej v elektrotechnickom priemysle vysokého napätia naďalej užitočné na testovanie izolačných systémov, veží a iných elektrických zariadení, ktoré musia fungovať bezpečne. Používajú sa tiež na rôznych výstavách na vytváranie bleskov a iskier, ako aj pri niektorých fyzikálnych experimentoch.

Pri pokusoch s vysokým napätím s veľkými Teslovými cievkami je dôležité prijať bezpečnostné opatrenia. Príkladom je použitie Faradayových klietok na ochranu pozorovateľov a oblekov z kovových sietí pre účinkujúcich, ktorí sa zúčastňujú prehliadok s týmito valcami.

Ako pripraviť domácu Teslu cievku?

súčasti

V tejto miniatúrnej verzii Teslovej cievky sa nebude používať žiadny zdroj striedavého napätia vysokého napätia. Naopak, zdrojom energie bude 9 V batéria, ako je znázornené na obrázku na obrázku 3.

Obrázok 3. Schéma zostavenia mini Teslovej cievky. Zdroj: vlastný.

Ďalším rozdielom oproti pôvodnej verzii Tesla je použitie tranzistora. V našom prípade to bude 2222A, čo je tranzistor NPN s nízkym signálom, ale s rýchlou odozvou alebo vysokou frekvenciou.

Okruh má tiež spínač S, 3-otočnú primárnu cievku L1 a sekundárnu cievku L2 minimálne 275 otáčok, ale môže byť tiež medzi 300 a 400 otáčkami.

Primárna cievka môže byť vyrobená z obyčajného drôtu s plastovou izoláciou, ale sekundárna cievka vyžaduje tenký drôt pokrytý izolačným lakom, ktorý sa obvykle používa vo vinutiach. Navíjanie sa môže uskutočňovať na kartónovej alebo plastovej rúrke s priemerom 3 až 4 cm.

Použitie tranzistora

Je potrebné pripomenúť, že v čase Nikola Tesly neboli tranzistory. V tomto prípade tranzistor nahradí „iskrovú medzeru“ alebo „výbušninu“ pôvodnej verzie. Tranzistor sa použije ako brána, ktorá umožňuje alebo nie priechod prúdu. Z tohto dôvodu je tranzistor polarizovaný nasledovne: kolektor c na kladný pól a emitor e na záporný pól batérie.

Ak má základňa b kladnú polarizáciu, potom umožňuje priechod prúdu z kolektora do žiariča a inak tomu bráni.

V našej schéme je základňa pripojená k kladnému pólu batérie, ale je vložený odpor 22 km ohm, aby sa obmedzil nadmerný prúd, ktorý môže tranzistor spáliť.

Okruh tiež ukazuje LED diódu, ktorá môže byť červená. Jeho funkcia bude vysvetlená neskôr.

Na voľný koniec sekundárnej cievky L2 je umiestnená malá kovová guľa, ktorá môže byť vyrobená zakrytím polystyrénovou guľôčkou alebo guľôčkovou loptou hliníkovou fóliou.

Táto guľa je doska kondenzátora C, druhá doska je prostredie. Toto sa nazýva parazitné kapacity.

Ako funguje Mini Tesla Coil

Keď je spínač S zatvorený, základňa tranzistora je pozitívne ovplyvnená a horný koniec primárnej cievky je tiež pozitívne ovplyvnený. Náhle sa objaví prúd, ktorý prechádza primárnou cievkou, pokračuje cez kolektor, opúšťa žiarič a vracia sa do batérie.

Tento prúd rastie z nuly na maximálnu hodnotu vo veľmi krátkom čase, a preto indukuje elektromotorickú silu v sekundárnej cievke. To vytvára prúd, ktorý prechádza od spodku cievky L2 k základni tranzistora. Tento prúd náhle zastaví pozitívnu polarizáciu základne, takže prúd prúdi cez primárne zastavenia.

V niektorých verziách je dióda LED odstránená a obvod funguje. Jeho umiestnenie však zvyšuje účinnosť pri rezaní predpätia bázy tranzistora.

Čo sa stane, keď prúd prúdi?

Počas cyklu rýchleho rastu prúdu v primárnom obvode bola indukovaná elektromotorická sila v sekundárnej cievke. Pretože pomer zákrut medzi primárnym a sekundárnym je 3 až 275, voľný koniec cievky L2 má napätie 825 V vzhľadom na zem.

V dôsledku vyššie uvedeného sa v oblasti kondenzátora C vytvára intenzívne elektrické pole schopné ionizácie plynu pri nízkom tlaku v neónovej trubici alebo žiarivke, ktorá sa blíži ku sfére C a urýchľuje voľné elektróny vo vnútri trubice. aby excitovali atómy, ktoré produkujú emisiu svetla.

Pretože prúd náhle prestal byť cez cievku L1 a cievka L2 vypúšťaná vzduchom obklopujúcim C smerom k zemi, cyklus sa obnovil.

Dôležitým bodom v tomto type obvodu je to, že sa všetko deje vo veľmi krátkom čase, takže máte vysokofrekvenčný oscilátor. V tomto type obvodu je flutter alebo rýchla oscilácia produkovaná tranzistorom dôležitejšia ako jav rezonancie opísaný v predchádzajúcej časti a odkazujúci na pôvodnú verziu Teslovej cievky.

Navrhované experimenty s mini Tesla cievkami

Akonáhle je mini cievka Tesla postavená, je možné s ňou experimentovať. Blesky a iskry pôvodných verzií sa samozrejme nebudú vyrábať.

Pomocou žiarivky alebo neónovej trubice však môžeme pozorovať, ako kombinovaný efekt intenzívneho elektrického poľa generovaného v kondenzátore na konci cievky a vysoká frekvencia kmitania tohto poľa spôsobujú, že lampa rozsvieti sa práve blíži ku kondenzačnej gule.

Silné elektrické pole ionizuje nízkotlakový plyn vo vnútri skúmavky a zanecháva vo vnútri plynu voľné elektróny. Vysoká frekvencia obvodu teda spôsobuje, že voľné elektróny vo fluorescenčnej trubici zrýchľujú a excitujú fluorescenčný prášok priliehajúci k vnútornej stene trubice, čo spôsobuje, že emituje svetlo.

Svietivú LED diódu môžete priblížiť bližšie k sfére C a sledovať, ako sa rozsvieti, aj keď nie sú zapojené kolíky LED.

Referencie

1. Blake, T. Tesla teória cievok. Obnovené z: tb3.com.
2. Burnett, R. Prevádzka cievky Tesla. Obnovené z: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikácie. 7. vydanie. MacGraw Hill. 626-628.
4. Wisconsinská univerzita - Madison. Tesla cievka. Získané z: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla cievka. Obnovené z: wikiwand.com.