TESLA COIL: KASAYSAYAN, KUNG PAANO ITO GUMAGANA, KUNG ANO ITO PARA SA - PISIKAL - 2025

Ang coil ng Tesla ay isang paikot-ikot na gumagana bilang isang high-boltahe, high-frequency na generator. Ito ay naimbento ng pisikong pisika na si Nikola Tesla (1856 - 1943), na patente nito noong 1891.

Ginawa ng magnetikong induction ang pag-iisip ni Tesla tungkol sa posibilidad ng pagpapadala ng de-koryenteng enerhiya nang walang panghihimasok ng mga conductor. Samakatuwid, ang ideya ng siyentipiko at imbentor ay lumikha ng isang aparato na magsisilbi upang maglipat ng koryente nang hindi gumagamit ng mga kable. Gayunpaman, ang paggamit ng makina na ito ay napaka hindi epektibo, kaya't natapos na ito ay inabandunang sa ilang sandali para sa hangaring ito.

Larawan 1. Demonstrasyon gamit ang Tesla coil. Pinagmulan: Pixabay.

Kahit na, ang Tesla coils ay maaari pa ring matagpuan na may ilang mga tiyak na aplikasyon, tulad ng sa mga pylons o sa mga eksperimento sa pisika.

Kasaysayan

Ang likaw ay nilikha ni Tesla makalipas ang ilang sandali matapos ang mga eksperimento ni Hertz. Tinawag mismo ni Tesla na "aparatas para sa pagpapadala ng de-koryenteng enerhiya." Gustong patunayan ni Tesla na ang koryente ay maaaring maipadala nang walang mga wire.

Sa kanyang laboratoryo sa Colorado Springs, si Tesla ay nagtapon sa isang malaking 16-meter na coil na nakakabit sa isang antena. Ang aparato ay ginamit upang magsagawa ng mga eksperimento sa paghahatid ng enerhiya.

Eksperimento sa mga cola ng Tesla.

Sa isang okasyon nagkaroon ng aksidente na dulot ng coil na ito kung saan ang mga dinamita mula sa isang planta ng kuryente na matatagpuan 10 kilometro ang nasunog. Bilang isang resulta ng pagkabigo, ang mga arko ng kuryente ay ginawa sa paligid ng mga paikot-ikot ng mga dinamita.

Wala sa nakapanghihina ng loob na si Tesla, na nagpatuloy sa pag-eksperimento sa maraming disenyo ng coil, na ngayon ay kilala ng kanyang pangalan.

Paano ito gumagana?

Ang sikat na Tesla coil ay isa sa maraming mga disenyo na ginawa ni Nikola Tesla upang maipadala ang koryente nang walang mga wire. Ang mga orihinal na bersyon ay malaki sa laki at ginamit ang mataas na boltahe at mataas na kasalukuyang mapagkukunan.

Naturally ngayon mayroong mas maliit, compact at mga lutong disenyo ng bahay na ilalarawan at ipapaliwanag sa susunod na seksyon.

Larawan 2. Schematic ng pangunahing Tesla coil. Pinagmulan: ginawa ng sarili.

Ang isang disenyo batay sa orihinal na mga bersyon ng Tesla coil ay ang ipinapakita sa figure sa itaas. Ang de-koryenteng diagram sa nakaraang figure ay maaaring nahahati sa tatlong mga seksyon.

Pinagmulan (F)

Ang pinagmulan ay binubuo ng isang alternating kasalukuyang generator at isang mataas na makakuha ng transpormer. Ang source output ay karaniwang sa pagitan ng 10,000 V at 30,000 V.

Unang LC 1 resonant circuit

Binubuo ito ng isang switch S na kilala bilang "Spark Gap" o "Explosor", na nagsasara ng circuit kapag ang isang spark ay tumalon sa pagitan ng mga dulo nito. Ang circuit circuit 1 ay mayroon ding kapasitor C1 at isang coil L1 na konektado sa serye.

Pangalawang resonant circuit LC 2

Ang LC circuit 2 ay binubuo ng isang coil L2 na mayroong isang ratio ng pagliko na humigit-kumulang 100 hanggang 1 na kamag-anak sa likid na L1 at isang kapasitor C2. Ang Capacitor C2 ay kumokonekta sa likid L2 sa pamamagitan ng lupa.

Ang L2 coil ay karaniwang isang sugat ng wire na may isang insulating enamel sa isang tubo ng hindi pang-conductive na materyal tulad ng ceramic, baso o plastik. Ang Coil L1, bagaman hindi ipinakita tulad nito sa diagram, ay nasugatan sa likid na L2.

Ang Capacitor C2, tulad ng lahat ng mga capacitor, ay binubuo ng dalawang metal plate. Sa Tesla coils, ang isa sa mga plaka C2 ay karaniwang nasa hugis ng isang spherical o toroidal simboryo at konektado sa serye sa L2 coil.

Ang iba pang lupon ng C2 ay ang kalapit na kapaligiran, halimbawa isang metalikong pedestal na natapos sa isang globo at konektado sa lupa upang isara ang circuit kasama ang iba pang mga dulo ng L2, na konektado din sa lupa.

Mekanismo ng pagkilos

Kapag ang isang Tesla coil ay nakabukas, ang mataas na mapagkukunan ng boltahe na singil ng kapasitor C1. Kapag naabot ito ng sapat na mataas na boltahe, gumagawa ito ng isang spark jump sa switch S (spark gap o explosor), isinasara ang resonant circuit I.

Pagkatapos ang capacitor C1 ay naglalabas sa pamamagitan ng likid na L1 na bumubuo ng isang variable na magnetic field. Ang variable na magnetic field na ito ay dumaan din sa likid na L2 at nagpapahiwatig ng isang puwersa ng elektromotiko sa likid na L2.

Dahil ang L2 ay halos 100 lumiliko nang mas mahaba kaysa sa L1, ang elektrikal na boltahe sa buong L2 ay 100 beses na mas malaki kaysa sa kabuuan ng L1. At dahil sa L1 ang boltahe ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10,000 volts, kung gayon sa L2 ay magiging 1 milyong volts.

Ang magnetic energy na naipon sa L2 ay inilipat bilang elektrikal na enerhiya sa kapasitor C2, na kapag naabot nito ang maximum na mga halaga ng boltahe ng pagkakasunud-sunod ng isang milyong volts na nag-e-ionize ng hangin, ay gumagawa ng isang spark at bigla itong pinalabas sa lupa. Ang mga paglabas ay nangyayari sa pagitan ng 100 at 150 beses bawat segundo.

Ang circuit ng LC1 ay tinatawag na resonant dahil ang naipon na enerhiya sa capacitor C1 ay pumasa sa likidong L1 at kabaligtaran; iyon ay, ang isang pag-oscillation ay nangyayari.

Ang parehong nangyayari sa resonant circuit LC2, kung saan ang magnetic energy ng coil L2 ay inilipat bilang elektrikal na enerhiya sa capacitor C2 at kabaligtaran. Ibig sabihin, na sa circuit isang kasalukuyang pag-ikot ng biyahe ay kasalukuyang alternatibong ginawa.

Ang natural na dalas ng pag-oscillation sa isang circuit ng LC ay

Pagkakasundo at induksiyon sa isa't isa

Kapag ang enerhiya na ibinibigay sa mga circuit ng LC ay nangyayari sa parehong dalas ng natural na dalas ng pag-oscillation ng circuit, kung gayon ang paglipat ng enerhiya ay pinakamainam, na gumagawa ng isang maximum na pagpapalakas sa kasalukuyang circuit. Ang pangkaraniwang bagay na ito na karaniwang sa lahat ng mga sistema ng pag-oscillating ay kilala bilang resonance.

Ang mga circuit ng LC1 at LC2 ay magnetical kaisa, isa pang kababalaghan na tinatawag na mutual induction.

Upang ang paglipat ng enerhiya mula sa circuit ng LC1 papunta sa LC2 at kabaligtaran upang maging pinakamainam, dapat na tumugma ang natural na mga dalas ng oscillation ng parehong mga circuit, at dapat din silang tumugma sa dalas ng mataas na mapagkukunan ng boltahe.

Nakamit ito sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga halaga ng kapasidad at inductance sa parehong mga circuit, upang ang mga dalas ng oscillation ay nag-tutugma sa dalas ng pinagmulan:

Kapag nangyari ito, ang kapangyarihan mula sa mapagkukunan ay mahusay na inilipat sa circuit ng LC1 at mula sa LC1 hanggang sa LC2. Sa bawat pag-ikot ng pag-oscillation, ang elektrikal at magnetikong enerhiya na naipon sa bawat circuit ay nagdaragdag.

Kapag ang de-koryenteng boltahe sa buong C2 ay sapat na, pagkatapos ang enerhiya ay pinakawalan sa anyo ng kidlat sa pamamagitan ng pag-alis ng C2 sa lupa.

Gumamit ang Tesla coil

Ang orihinal na ideya ni Tesla sa kanyang mga eksperimento sa mga coils na ito ay palaging upang makahanap ng isang paraan upang maipadala ang elektrikal na enerhiya sa mga malalayong distansya nang walang mga kable.

Gayunpaman, ang mababang kahusayan ng pamamaraang ito dahil sa pagkalugi ng enerhiya sa pamamagitan ng pagkakalat sa pamamagitan ng kapaligiran ay kinakailangan upang maghanap ng iba pang paraan upang maipadala ang lakas ng kuryente. Ang mga kable ngayon ay ginagamit pa rin.

Ang lampara ng Plasma, na tumulong sa pagbuo ng eksperimento sa Tesla.

Gayunpaman, marami sa mga orihinal na ideya ni Nikola Tesla ay naroroon pa rin sa mga wired system ng paghahatid ngayon. Halimbawa, ang mga step-up na mga transformer sa mga de-koryenteng pagpapalit para sa paghahatid sa mga kable na may mas kaunting mga pagkalugi, at mga step-down na mga transformer para sa pamamahagi sa mga tahanan, ay nilikha ni Tesla.

Sa kabila ng hindi pagkakaroon ng malaking sukat, ang Tesla coils ay patuloy na maging kapaki-pakinabang sa mataas na boltahe na de-koryenteng industriya para sa pagsubok sa mga sistema ng insulating, tower, at iba pang mga de-koryenteng aparato na dapat gumana nang ligtas. Ginagamit din ang mga ito sa iba't ibang mga palabas upang makabuo ng kidlat at mga spark, pati na rin sa ilang mga eksperimento sa pisika.

Mahalagang gumawa ng mga hakbang sa kaligtasan sa mga eksperimento sa mataas na boltahe na may malalaking mga coil ng Tesla. Ang isang halimbawa ay ang paggamit ng Faraday cages para sa proteksyon ng mga tagamasid at metallic mesh suit para sa mga performer na lumahok sa mga palabas sa mga reels na ito.

Paano gumawa ng isang lutong bahay na Tesla coil?

Mga Bahagi

Walang mataas na boltahe na mapagkukunan ng AC ay gagamitin sa miniature na bersyon ng Tesla coil. Sa kabilang banda, ang mapagkukunan ng kapangyarihan ay isang baterya 9 V, tulad ng ipinapakita sa diagram sa figure 3.

Larawan 3. Schematic upang makabuo ng isang mini Tesla coil. Pinagmulan: ginawa ng sarili.

Ang iba pang pagkakaiba mula sa orihinal na bersyon ng Tesla ay ang paggamit ng isang transistor. Sa aming kaso ito ang magiging 2222A, na isang mababang signal na NPN transistor ngunit may isang mabilis na tugon o mataas na dalas.

Ang circuit ay mayroon ding switch S, isang 3-turn pangunahing coil L1 at isang pangalawang likid na L2 ng 275 na minimum, ngunit maaari rin itong sa pagitan ng 300 at 400 na liko.

Ang pangunahing likid ay maaaring itayo gamit ang isang karaniwang kawad na may pagkakabukod ng plastik, ngunit ang pangalawang likid ay nangangailangan ng isang manipis na kawad na natatakpan ng insulating varnish, na siyang karaniwang ginagamit sa mga paikot-ikot. Ang paikot-ikot na maaaring gawin sa isang karton o plastic tube na nasa pagitan ng 3 at 4 cm ang diameter.

Gamit ang transistor

Dapat alalahanin na sa panahon ni Nikola Tesla walang mga transistors. Sa kasong ito pinalitan ng transistor ang "spark gap" o "explosor" ng orihinal na bersyon. Ang transistor ay gagamitin bilang isang gate na nagbibigay-daan o hindi sa pagpasa ng kasalukuyang. Para sa mga ito, ang transistor ay polarized tulad ng mga sumusunod: ang kolektor c sa positibong terminal at ang emitter e sa negatibong terminal ng baterya.

Kapag ang batayang b ay may positibong polariseysyon, pagkatapos ay pinapayagan ang pagpasa ng kasalukuyang mula sa kolektor hanggang sa emitter, at kung hindi man ay pinipigilan ito.

Sa aming pamamaraan, ang batayan ay konektado sa positibo ng baterya, ngunit isang 22 kilong Ohm risistor ay ipinasok, upang limitahan ang labis na kasalukuyang maaaring sunugin ang transistor.

Nagpapakita rin ang circuit ng isang LED diode na maaaring pula. Ang pag-andar nito ay ipapaliwanag mamaya.

Sa libreng pagtatapos ng pangalawang likid L2 isang maliit na metal na bola ay inilalagay, na maaaring gawin sa pamamagitan ng takip ng isang polystyrene ball o isang pin na bola ng pong pong na may aluminyo na foil.

Ang globo na ito ay ang plato ng isang kapasitor C, ang iba pang plate na ang kapaligiran. Ito ang kilala bilang kapasidad ng parasito.

Paano gumagana ang Mini Tesla Coil

Kapag ang switch S ay sarado, ang base ng transistor ay positibo sa bias, at ang itaas na dulo ng pangunahing likid ay positibo din sa bias. Kaya ang isang kasalukuyang biglang lumilitaw na dumadaan sa pangunahing likid, ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng kolektor, iniiwan ang emitter, at bumalik sa baterya.

Ang kasalukuyang ito ay lumalaki mula sa zero hanggang sa isang maximum na halaga sa isang napaka-maikling oras, na kung saan ay hinihikayat nito ang isang elektromotikong puwersa sa pangalawang likid. Gumagawa ito ng isang kasalukuyang lumalabas mula sa ilalim ng likidong L2 hanggang sa base ng transistor. Ang kasalukuyang kasalukuyang biglaang tumitigil sa positibong polariseysyon ng base upang ang kasalukuyang daloy sa pangunahing paghihinto.

Sa ilang mga bersyon ang LED diode ay tinanggal at gumagana ang circuit. Gayunpaman, ang paglalagay nito ay nagpapabuti sa kahusayan sa pagputol ng bias ng transistor base.

Ano ang mangyayari kapag ang kasalukuyang umiikot?

Sa panahon ng pag-ikot ng mabilis na kasalukuyang paglago sa pangunahing circuit isang elektromotiko na puwersa ay na-impluwensya sa pangalawang coil. Dahil ang ratio ng mga liko sa pagitan ng pangunahin at pangalawa ay 3 hanggang 275, ang libreng pagtatapos ng coil L2 ay may boltahe na 825 V na may paggalang sa lupa.

Dahil sa nasa itaas, ang isang matinding electric field ay ginawa sa globo ng capacitor C na may kakayahang mag-ionizing ng gas sa mababang presyon sa isang neon tube o fluorescent lamp na papalapit sa globo C at pagbilis ng libreng mga electron sa loob ng tubo. bilang pukawin ang mga atomo na gumagawa ng magaan na paglabas.

Tulad ng kasalukuyang biglang tumigil sa pamamagitan ng likid na L1 at likid na L2 na pinalabas sa pamamagitan ng hangin na nakapaligid C patungo sa lupa, ang ikot ay nai-restart.

Ang mahalagang punto sa ganitong uri ng circuit ay ang lahat ay nangyayari sa isang napakaikling panahon, upang mayroon kang isang mataas na dalas na oscillator. Sa ganitong uri ng circuit, ang flutter o mabilis na pag-oscillation na ginawa ng transistor ay mas mahalaga kaysa sa resonance phenomenon na inilarawan sa nakaraang seksyon at tinutukoy ang orihinal na bersyon ng Tesla coil.

Ang mga iminungkahing eksperimento sa mini Tesla coils

Kapag naitayo ang Tesla mini coil, posible na mag-eksperimento dito. Malinaw na, ang kidlat at sparks ng mga orihinal na bersyon ay hindi magagawa.

Gayunpaman, sa tulong ng isang fluorescent light bombilya o isang neon tube, maaari nating obserbahan kung paano ang pinagsama na epekto ng matinding electric field na nabuo sa kapasitor sa dulo ng coil at ang mataas na dalas ng pag-oscillation ng patlang na iyon, gawin ang lampara magaan na papalapit sa condenser sphere.

Ang malakas na patlang ng kuryente ay nag-ionize ng mababang presyon ng gas sa loob ng tubo, nag-iiwan ng mga libreng elektron sa loob ng gas. Kaya, ang mataas na dalas ng circuit ay nagdudulot ng mga libreng elektron sa loob ng fluorescent tube upang mapabilis at pukawin ang fluorescent na pulbos na sumunod sa panloob na dingding ng tubo, na nagiging sanhi ng paglabas nito ng ilaw.

Maaari ka ring magdala ng isang maliwanag na LED na mas malapit sa globo C, na pinagmamasdan kung paano ito sumisikat kahit na ang mga LED pin ay hindi pa nakakonekta.

Mga Sanggunian

1. Teorya ng Blake, T. Tesla coil. Nabawi mula sa: tb3.com.
2. Burnett, R. Ang pagpapatakbo ng Tesla coil. Nabawi mula sa: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Pisika: Konsepto at Aplikasyon. Ika-7 Edition. MacGraw Hill. 626-628.
4. Unibersidad ng Wisconsin-Madison. Tesla coil. Nabawi mula sa: kababalaghan.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla coil. Nabawi mula sa: wikiwand.com.