特斯拉线圈：历史，工作原理，用途 - 物理 - 2025

的泰斯拉线圈是卷绕，其用作高电压，高频发生器。它是由物理学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年-1943年）发明的，他在1891年获得了专利。

磁感应使特斯拉考虑了在没有导体干预的情况下传输电能的可能性。因此，科学家和发明家的想法是创造一种无需使用电缆即可传输电力的设备。但是，这台机器的使用效率很低，因此最终被弃用。

图1.特斯拉线圈的演示。资料来源：

即使这样，特斯拉线圈仍可以在某些特定应用中找到，例如在塔架或物理实验中。

历史

该线圈是在赫兹的实验曝光后不久由特斯拉制造的。特斯拉本人称其为“用于传输电能的设备”。特斯拉想证明电力可以不用电线传输。

在他位于科罗拉多斯普林斯的实验室中，特斯拉可以使用一个巨大的16米长的线圈连接到天线。该设备用于进行能量传输实验。

用特斯拉线圈进行实验。

有一次，由这种线圈引起的事故使来自10公里外的一家发电厂的发电机被燃烧。作为故障的结果，在发电机的绕组周围产生了电弧。

这些都没有阻止特斯拉，他继续尝试多种线圈设计，现在以他的名字而闻名。

它是如何工作的？

著名的特斯拉线圈是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）为无电线传输电而进行的众多设计之一。原始版本尺寸较大，并使用了高压和大电流源。

当然，今天自然会有更小巧，紧凑和自制的设计，我们将在下一部分中进行描述和解释。

图2.基本特斯拉线圈的示意图。资料来源：自制。

上图所示为基于特斯拉线圈原始版本的设计。上图中的电气图可以分为三个部分。

来源（F）

该源包括一个交流发电机和一个高增益变压器。源输出通常在10,000 V至30,000 V之间。

第一个LC 1谐振电路

它由一个称为“ Spark Gap”或“ Explosor”的开关S组成，当火花在其两端之间跳动时，它会闭合电路。LC电路1还具有串联连接的电容器C1和线圈L1。

第二谐振电路LC 2

LC电路2由相对于线圈L1的匝数比为约100比1的线圈L2和电容器C2构成。电容器C2通过接地连接到线圈L2。

L2线圈通常是用绝缘搪瓷缠绕在非导电材料（例如陶瓷，玻璃或塑料）管上的导线。线圈L1，虽然在图中未图示，但是被卷绕在线圈L2上。

像所有电容器一样，电容器C2由两个金属板组成。在特斯拉线圈中，C2板之一通常呈球形或环形圆顶状，并与L2线圈串联连接。

C2的另一块板是附近的环境，例如在球体中完成并连接到地面的金属基座，以与L2的另一端（也接地）闭合电路。

作用机理

当特斯拉线圈接通时，高压源为电容器C1充电。当其达到足够高的电压时，它将在开关S中产生火花跳动（火花隙或爆炸器），从而闭合谐振电路I。

然后，电容器C1通过线圈L1放电，产生可变磁场。该可变磁场还穿过线圈L2并在线圈L2上感应电动势。

由于L2比L1长约100匝，因此L2两端的电压是L1两端的电压的100倍。由于L1中的电压约为10,000伏，因此L2中的电压为100万伏。

L2中积累的磁能作为电能转移到电容器C2，当电容器C2达到一百万伏的最大电压值时，它会电离空气，产生火花并突然通过地面放电。放电每秒发生100到150次。

由于电容器C1中的累积能量传递到线圈L1，反之亦然，因此LC1电路称为谐振。即，发生振荡。

在谐振电路LC2中也发生同样的情况，其中线圈L2的磁能作为电能被传递到电容器C2，反之亦然。也就是说，在电路中交替产生往返电流。

LC电路的固有振荡频率为

共振与互感

当提供给LC电路的能量出现在与电路自然振荡频率相同的频率上时，则能量传递是最佳的，从而在电路电流中产生最大的放大倍数。所有振荡系统共有的现象称为共振。

LC1和LC2电路磁耦合，这是另一种称为互感的现象。

为了从LC1到LC2电路（反之亦然）实现最佳的能量传输，两个电路的固有振荡频率必须匹配，并且它们也应与高压源的频率匹配。

这是通过调整两个电路中的电容和电感值来实现的，从而使振荡频率与源频率一致：

发生这种情况时，来自电源的功率会有效地传输到LC1电路，再从LC1传输到LC2。在每个振荡周期中，每个电路中积累的电能和磁能增加。

当C2两端的电压足够高时，则通过将C2放电到地面以闪电的形式释放能量。

特斯拉线圈的用途

特斯拉在使用这些线圈进行实验时的最初想法始终是寻找一种无需布线即可长距离传输电能的方法。

但是，由于通过分散在环境中而造成的能量损失导致该方法效率低下，因此有必要寻找其他手段来传输电能。今天仍然使用接线。

等离子灯，这有​​助于开展特斯拉的实验。

但是，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的许多原始想法仍然存在于当今的有线传输系统中。例如，特斯拉设计了变电站中用于通过电缆传输的损耗较小的升压变压器，以及用于家庭配电的降压变压器。

尽管没有大规模使用，特斯拉线圈仍在高压电气行业中用于测试绝缘系统，塔架和其他必须安全运行的电气设备。它们还用于各种表演中以产生闪电和火花，以及一些物理实验中。

在大型特斯拉线圈的高压实验中，采取安全措施非常重要。一个例子是使用法拉第笼子保护观察者，并为参加这些卷轴表演的表演者使用金属网眼套装。

如何自制特斯拉线圈？

组件

在此微型版的Tesla线圈中不会使用高压交流电源。相反，电源将是9 V电池，如图3所示。

图3.构建一个迷你特斯拉线圈的示意图。资料来源：自制。

与原始特斯拉版本的另一个区别是使用晶体管。在我们的情况下，它将是2222A，这是一个低信号NPN晶体管，但具有快速响应或高频。

该电路还具有一个开关S，一个3匝初级线圈L1和一个最小为275匝的次级线圈L2，但也可以在300至400匝之间。

初级线圈可以用具有塑料绝缘层的普通电线制成，但是次级线圈则需要用绝缘漆覆盖的细线，该绝缘漆通常用于绕组中。可以在直径3至4厘米的纸板或塑料管上进行缠绕。

使用晶体管

应当记住，在尼古拉·特斯拉时代，没有晶体管。在这种情况下，晶体管将替换原始版本的“火花间隙”或“爆炸器”。该晶体管将用作允许或不允许电流通过的栅极。为此，晶体管极化如下：集电极c到电池的正极，发射极e到电池的负极。

当基极b具有正极化时，则它允许电流从集电极流向发射极，否则阻止电流通过。

在我们的方案中，基极连接到电池的正极，但插入了一个22千欧的电阻器，以限制可能烧毁晶体管的过大电流。

该电路还显示可以为红色的LED二极管。其功能将在后面说明。

在次级线圈L2的自由端放置一个小金属球，可以通过用铝箔覆盖聚苯乙烯球或大头钉球来制成。

这个球体是电容器C的极板，另一个极板是环境。这就是所谓的寄生电容。

迷你特斯拉线圈的工作原理

当开关S闭合时，晶体管的基极被正偏置，初级线圈的上端也被正偏置。因此，突然出现了一个电流，该电流穿过初级线圈，继续穿过集电极，离开发射极，然后返回电池。

该电流在很短的时间内从零增加到最大值，这就是为什么它会在次级线圈中感应出电动势的原因。这会产生从L2线圈底部到晶体管基极的电流。该电流突然停止了基极的正极化，因此电流流过了一次停止。

在某些版本中，LED二极管被移除，电路正常工作。但是，放置它可以提高降低晶体管基极偏压的效率。

当电流流通时会发生什么？

在初级电路中电流快速增长的周期中，次级线圈中感应出电动势。由于初级与次级之间的匝数比为3至275，因此线圈L2的自由端相对于地面的电压为825V。

由于上述原因，在电容器C的球体中产生了一个强电场，该电场能够使低压球体中的霓虹灯管或荧光灯中的低压气体电离，并加速管内的自由电子。激发产生光发射的原子。

随着电流突然通过线圈L1和线圈L2停止，线圈L1和线圈L2通过周围的空气向地面放电，循环重新开始。

这种电路的重点是，所有事情都在很短的时间内发生，因此您拥有一个高频振荡器。在这种类型的电路中，由晶体管产生的颤动或快速振荡比上一节中提到的并参考特斯拉线圈原始版本的谐振现象更为重要。

拟议的迷你特斯拉线圈实验

一旦构建了Tesla迷你线圈，就可以对其进行试验。显然，不会产生原始版本的闪电和火花。

但是，借助荧光灯管或霓虹灯管，我们可以观察到线圈末端电容器中产生的强电场和该电场的高频振荡的综合作用如何使灯接近聚光球时点亮。

强电场使管内的低压气体电离，从而在气体内留下自由电子。因此，电路的高频导致荧光灯管内的自由电子加速并激发附着在荧光灯管内壁上的荧光粉，使其发光。

您还可以使发光的LED靠近球体C，即使未连接LED引脚，也要观察它如何点亮。

参考文献

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