TESLA COIL: HISTORIE, JAK TO FUNGUJE, K ČEMU SLOUŽÍ - FYZICKÝ - 2025

Tesla coil je vinutí, která slouží jako vysokého napětí, vysokofrekvenční generátor. Byl vynalezen fyzikem Nikola Teslou (1856 - 1943), který jej patentoval v roce 1891.

Magnetická indukce přiměla Teslu přemýšlet o možnosti přenosu elektrické energie bez zásahu vodičů. Proto myšlenkou vědce a vynálezce bylo vytvořit zařízení, které by sloužilo k přenosu elektřiny bez použití kabelů. Používání tohoto stroje je však velmi neefektivní, a proto za tímto účelem skončilo brzy.

Obrázek 1. Ukázka s Teslovou cívkou. Zdroj: Pixabay.

I tak lze Teslovy cívky stále nalézt s některými specifickými aplikacemi, jako jsou pylony nebo fyzikální experimenty.

Dějiny

Cívka byla vytvořena Teslou krátce poté, co vyšly najevo Hertzovy experimenty. Sám Tesla to nazval „přístrojem pro přenos elektrické energie“. Tesla chtěla dokázat, že elektřina může být přenášena bez vodičů.

Ve své laboratoři v Colorado Springs měl Tesla k dispozici obrovskou 16metrovou cívku připojenou k anténě. Zařízení bylo použito k provádění experimentů přenosu energie.

Experimentujte s Teslovými cívkami.

Při této příležitosti došlo k nehodě způsobené touto cívkou, při které byly spáleny dynama z elektrárny vzdálené 10 kilometrů. V důsledku poruchy byly kolem vinutí dynamosy vytvářeny elektrické oblouky.

Nic z toho neodradilo Teslu, který pokračoval v experimentování s četnými návrhy cívek, které jsou nyní známy pod jeho jménem.

Jak to funguje?

Slavná cívka Tesla je jedním z mnoha návrhů, které Nikola Tesla vyrobila za účelem přenosu elektřiny bez vodičů. Původní verze byly velké a používaly zdroje vysokého napětí a vysokého proudu.

Přirozeně dnes existuje mnohem menší, kompaktní a domácí design, který popíšeme a vysvětlíme v následující části.

Obrázek 2. Schéma základní Teslovy cívky. Zdroj: vlastní výroba.

Design založený na původních verzích Teslovy cívky je na obrázku výše. Elektrické schéma na předcházejícím obrázku lze rozdělit do tří částí.

Zdroj (F)

Zdroj se skládá z generátoru střídavého proudu a transformátoru s vysokým ziskem. Zdrojový výstup je obvykle mezi 10 000 V a 30 000 V.

První LC 1 rezonanční obvod

Skládá se ze spínače S známého jako „Spark Gap“ nebo „Explosor“, který uzavírá obvod, když jiskra skočí mezi jeho konci. Obvod LC 1 má také kondenzátor C1 a cívku L1 zapojenou do série.

Druhý rezonanční obvod LC 2

Obvod LC 2 sestává z cívky L2 mající poměr otáček přibližně 100 ku 1 vzhledem k cívce L1 a kondenzátoru C2. Kondenzátor C2 se připojuje k cívce L2 prostřednictvím země.

Cívka L2 je obvykle drát navinutý izolačním emailem na trubici z nevodivého materiálu, jako je keramika, sklo nebo plast. Cívka L1, i když na obrázku není takto znázorněna, je navinuta na cívku L2.

Kondenzátor C2, stejně jako všechny kondenzátory, sestává ze dvou kovových desek. V Tesla cívkách je jedna z desek C2 obvykle ve tvaru kulové nebo toroidální kopule a je v sérii spojena s cívkou L2.

Druhou deskou C2 je okolní prostředí, například kovový podstavec dokončený ve sféře a připojený k zemi, aby se uzavřel obvod s druhým koncem L2, také připojený k zemi.

Mechanismus účinku

Když je zapnuta Teslova cívka, vysokonapěťový zdroj nabíjí kondenzátor C1. Když to dosáhne dostatečně vysokého napětí, provede jiskřící skok ve spínači S (jiskřiště nebo explozor) a uzavře rezonanční obvod I.

Potom se kondenzátor C1 vybije cívkou L1 a vytváří proměnné magnetické pole. Toto proměnné magnetické pole také prochází cívkou L2 a indukuje elektromotorickou sílu na cívce L2.

Protože L2 je asi o 100 otáček delší než L1, je elektrické napětí na L2 100krát větší než na L1. A protože v L1 je napětí řádově 10 000 voltů, pak v L2 to bude 1 milion voltů.

Magnetická energie nahromaděná v L2 je přenášena jako elektrická energie do kondenzátoru C2, který, když dosáhne maximálních hodnot napětí řádově milion voltů, ionizuje vzduch, vytvoří jiskru a je náhle vybit zemou. K výbojům dochází 100 až 150krát za sekundu.

Obvod LC1 se nazývá rezonanční, protože nahromaděná energie v kondenzátoru C1 prochází do cívky L1 a naopak; to znamená, že dojde k oscilaci.

Totéž se děje v rezonančním obvodu LC2, ve kterém je magnetická energie cívky L2 přenášena jako elektrická energie do kondenzátoru C2 a obráceně. To znamená, že v obvodu je střídavě generován spínací proud.

Přirozená oscilační frekvence v LC obvodu je

Rezonance a vzájemná indukce

Když se energie dodávaná do LC obvodů vyskytuje na stejné frekvenci jako přirozená frekvence oscilace obvodu, pak je přenos energie optimální, což vede k maximálnímu zesílení proudu v obvodu. Tento jev společný pro všechny oscilační systémy se nazývá rezonance.

Obvody LC1 a LC2 jsou magneticky spojené, což je další jev nazývaný vzájemná indukce.

Pro optimální přenos energie z LC1 do LC2 obvodu a naopak se musí přirozené kmity kmitů obou obvodů shodovat a měly by se také shodovat s frekvencí zdroje vysokého napětí.

Toho je dosaženo úpravou kapacitních a indukčních hodnot v obou obvodech tak, aby se kmitočty kmitů shodovaly se zdrojovými kmitočty:

Když k tomu dojde, je energie ze zdroje účinně přenesena do obvodu LC1 a z LC1 do LC2. V každém cyklu oscilace se zvyšuje elektrická a magnetická energie nahromaděná v každém obvodu.

Když je elektrické napětí přes C2 dostatečně vysoké, pak se uvolní energie ve formě blesku vybitím C2 k zemi.

Cívka Tesla používá

Teslova původní myšlenka v jeho experimentech s těmito cívkami byla vždy najít způsob, jak přenášet elektrickou energii na velké vzdálenosti bez kabeláže.

Nízká účinnost této metody v důsledku energetických ztrát rozptylem v prostředí však vyžadovala hledání jiných prostředků pro přenos elektrické energie. Dnešní kabeláž je stále používána.

Plazmová lampa, která pomohla vyvinout Teslov experiment.

Mnoho dnešních nápadů Nikola Tesly je však v dnešních kabelových přenosových systémech stále přítomno. Například Tesla navrhla stupňovité transformátory v elektrických rozvodnách pro přenos přes kabely s menšími ztrátami a stupňové transformátory pro distribuci v domácnostech.

Přestože Tesla cívky nejsou používány ve velkém měřítku, jsou i nadále užitečné v elektrotechnickém průmyslu vysokého napětí pro testování izolačních systémů, věží a dalších elektrických zařízení, která musí fungovat bezpečně. Používají se také při různých výstavách k vytváření blesků a jisker, stejně jako při některých fyzikálních experimentech.

Při experimentech s vysokým napětím s velkými Teslovými cívkami je důležité přijmout bezpečnostní opatření. Příkladem je použití Faradayových klecí na ochranu pozorovatelů a obleků z kovových sítí pro umělce, kteří se účastní výstav s těmito cívkami.

Jak si vyrobit domácí Tesla cívku?

Komponenty

V této miniaturní verzi cívky Tesla nebude použit žádný vysokonapěťový střídavý zdroj. Naopak, zdrojem energie bude 9 V baterie, jak je znázorněno na obrázku na obrázku 3.

Obrázek 3. Schéma konstrukce mini Tesla cívky. Zdroj: vlastní výroba.

Dalším rozdílem od původní verze Tesly je použití tranzistoru. V našem případě to bude 2222A, což je tranzistor NPN s nízkým signálem, ale s rychlou odezvou nebo vysokou frekvencí.

Obvod má také spínač S, 3-otáčkovou primární cívku L1 a sekundární cívku L2 s minimem 275 otáček, ale může být také mezi 300 a 400 otáčkami.

Primární cívka může být vyrobena z obyčejného drátu s plastovou izolací, ale sekundární cívka vyžaduje tenký drát pokrytý izolačním lakem, který se obvykle používá ve vinutí. Navíjení může být provedeno na kartonové nebo plastové trubici o průměru mezi 3 a 4 cm.

Použití tranzistoru

Je třeba si uvědomit, že v době Nikola Tesly neexistovaly tranzistory. V tomto případě tranzistor nahradí „jiskřiště“ nebo „explozor“ původní verze. Tranzistor bude použit jako brána, která umožní nebo ne průchod proudu. Za tímto účelem je tranzistor polarizován následujícím způsobem: kolektor c na kladnou svorku a emitor e na zápornou svorku baterie.

Když má základna b kladnou polarizaci, pak umožňuje průchod proudu z kolektoru do emitoru a jinak tomu zabraňuje.

V našem schématu je základna připojena k kladnému pólu baterie, ale je vložen odpor 22 kilo ohmů, aby se omezil nadměrný proud, který může tranzistor spálit.

Obvod také ukazuje LED diodu, která může být červená. Jeho funkce bude vysvětlena později.

Na volném konci sekundární cívky L2 je umístěna malá kovová koule, kterou lze vyrobit zakrytím polystyrénovou koulí nebo kuličkou s hliníkovou fólií.

Tato koule je deska kondenzátoru C, přičemž druhá deska je prostředím. To se nazývá parazitní kapacita.

Jak Mini Tesla Coil funguje

Když je spínač S sepnutý, základna tranzistoru je pozitivně ovlivněna a horní konec primární cívky je také pozitivně ovlivněn. Takže se náhle objeví proud, který prochází primární cívkou, pokračuje přes kolektor, opouští emitor a vrací se do baterie.

Tento proud roste z nuly na maximální hodnotu ve velmi krátké době, a proto indukuje elektromotorickou sílu v sekundární cívce. Tím se vytvoří proud, který přechází ze spodní části cívky L2 na základnu tranzistoru. Tento proud náhle zastaví pozitivní polarizaci základny, takže proud protéká primárními zarážkami.

V některých verzích je LED dioda odstraněna a obvod funguje. Jeho umístění však zvyšuje účinnost řezání předpětí tranzistoru.

Co se stane, když proud cirkuluje?

Během cyklu rychlého růstu proudu v primárním obvodu byla indukována elektromotorická síla v sekundární cívce. Protože poměr otáček mezi primárním a sekundárním je 3 až 275, má volný konec cívky L2 napětí 825 V vzhledem k zemi.

Vzhledem k výše uvedenému je intenzivní elektrické pole produkováno ve sféře kondenzátoru C schopného ionizovat plyn při nízkém tlaku v neonové trubici nebo zářivce, která se blíží ke kouli C a urychluje volné elektrony uvnitř trubice. aby excitovali atomy, které produkují emisi světla.

Když proud náhle přestal přes cívku L1 a cívka L2 vypouštěná vzduchem obklopujícím C směrem k zemi, cyklus se restartuje.

Důležitým bodem v tomto typu obvodu je, že se vše děje ve velmi krátké době, takže máte vysokofrekvenční oscilátor. V tomto typu obvodu je příznivější nebo rychlá oscilace produkovaná tranzistorem důležitější než rezonanční jev popsaný v předchozí části a odkazující na původní verzi Teslovy cívky.

Navrhované experimenty s mini Tesla cívkami

Jakmile je postavena Tesla mini cívka, je možné s ní experimentovat. Blesky a jiskry původních verzí se samozřejmě nebudou vyrábět.

Pomocí zářivky nebo neonové trubice však můžeme pozorovat, jak kombinovaný efekt intenzivního elektrického pole generovaného v kondenzátoru na konci cívky a vysoká frekvence kmitání tohoto pole způsobují, že lampa rozsvítí se právě blíží ke kondenzační kouli.

Silné elektrické pole ionizuje nízkotlaký plyn ve zkumavce, přičemž v plynu zůstávají volné elektrony. Vysoká frekvence obvodu tedy způsobuje, že volné elektrony uvnitř zářivky zrychlují a excitují fluorescenční prášek ulpívající na vnitřní stěně zkumavky, což způsobuje, že vyzařuje světlo.

Svítivou LED můžete také přiblížit ke kouli C a sledovat, jak se rozsvítí, i když nebyly připojeny kolíky LED.

Reference

1. Blake, T. Tesla teorie cívky. Obnoveno z: tb3.com.
2. Burnett, R. Provoz cívky Tesla. Obnoveno z: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikace. 7. vydání. MacGraw Hill. 626-628.
4. University of Wisconsin-Madison. Tesla cívka. Obnoveno z: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla cívka. Obnoveno z: wikiwand.com.