CEWKA TESLI: HISTORIA, JAK TO DZIAŁA, DO CZEGO SŁUŻY - FIZYCZNY - 2026

Cewka Tesli jest kręta, który funkcjonuje jako wysokiego napięcia, generator wysokiej częstotliwości. Został wynaleziony przez fizyka Nikolę Teslę (1856 - 1943), który opatentował go w 1891 roku.

Indukcja magnetyczna sprawiła, że ​​Tesla pomyślał o możliwości przesyłania energii elektrycznej bez interwencji przewodników. Dlatego zamysłem naukowca i wynalazcy było stworzenie urządzenia, które służyłoby do przesyłania energii elektrycznej bez użycia kabli. Jednak użycie tej maszyny jest bardzo nieefektywne, więc wkrótce zostało porzucone w tym celu.

Rysunek 1. Demonstracja z cewką Tesli. Źródło: Pixabay.

Mimo to cewki Tesli nadal można znaleźć w niektórych specyficznych zastosowaniach, takich jak pylony lub w eksperymentach fizycznych.

Historia

Cewka została stworzona przez Teslę wkrótce po ujawnieniu eksperymentów Hertza. Sam Tesla nazwał to „aparatem do przesyłania energii elektrycznej”. Tesla chciał udowodnić, że prąd można przesyłać bez przewodów.

W swoim laboratorium w Colorado Springs Tesla miał do dyspozycji ogromną 16-metrową cewkę przymocowaną do anteny. Urządzenie służyło do przeprowadzania eksperymentów z przenoszeniem energii.

Eksperymentuj z cewkami Tesli.

Pewnego razu doszło do wypadku spowodowanego tą cewką, w której spłonęły dynama z oddalonej o 10 kilometrów elektrowni. W wyniku awarii wokół uzwojeń dynama powstały łuki elektryczne.

Nic z tego nie zniechęciło Tesli, który nadal eksperymentował z wieloma projektami cewek, które są teraz znane pod jego imieniem.

Jak to działa?

Słynna cewka Tesli jest jednym z wielu projektów, które wykonał Nikola Tesla w celu przesyłania energii elektrycznej bez przewodów. Oryginalne wersje były duże i wykorzystywały źródła wysokiego napięcia i prądu.

Oczywiście dzisiaj istnieją znacznie mniejsze, kompaktowe i domowe projekty, które opiszemy i wyjaśnimy w następnej sekcji.

Rysunek 2. Schemat podstawowej cewki Tesli. Źródło: wykonane samodzielnie.

Konstrukcja oparta na oryginalnych wersjach cewki Tesli jest pokazana na powyższym rysunku. Schemat elektryczny na poprzednim rysunku można podzielić na trzy części.

Źródło (F)

Źródło składa się z generatora prądu przemiennego i transformatora o dużym wzmocnieniu. Wyjście źródła wynosi zwykle od 10 000 V do 30 000 V.

Pierwszy obwód rezonansowy LC 1

Składa się z przełącznika S znanego jako „Spark Gap” lub „Explosor”, który zamyka obwód, gdy iskra przeskakuje między jego końcami. Obwód LC 1 ma również kondensator C1 i cewkę L1 połączone szeregowo.

Drugi obwód rezonansowy LC 2

Obwód LC 2 składa się z cewki L2 o stosunku zwojów około 100 do 1 względem cewki L1 i kondensatora C2. Kondensator C2 łączy się z cewką L2 przez masę.

Cewka L2 jest zwykle drutem nawiniętym z emalią izolacyjną na rurce z materiału nieprzewodzącego, takiego jak ceramika, szkło lub tworzywo sztuczne. Cewka L1, chociaż nie jest pokazana w ten sposób na schemacie, jest nawinięta na cewkę L2.

Kondensator C2, podobnie jak wszystkie kondensatory, składa się z dwóch metalowych płytek. W cewkach Tesli jedna z płytek C2 ma zwykle kształt kulistej lub toroidalnej kopuły i jest połączona szeregowo z cewką L2.

Druga płytka C2 to pobliskie otoczenie, na przykład metalowy cokół zakończony w kuli i połączony z masą, aby zamknąć obwód z drugim końcem L2, również połączonym z masą.

Mechanizm akcji

Kiedy cewka Tesli jest włączona, źródło wysokiego napięcia ładuje kondensator C1. Kiedy osiągnie wystarczająco wysokie napięcie, powoduje przeskok iskry w przełączniku S (iskiernik lub eksplozja), zamykając obwód rezonansowy I.

Następnie kondensator C1 rozładowuje się przez cewkę L1 wytwarzając zmienne pole magnetyczne. To zmienne pole magnetyczne przechodzi również przez cewkę L2 i indukuje siłę elektromotoryczną na cewce L2.

Ponieważ L2 jest o około 100 zwojów dłuższy niż L1, napięcie elektryczne na L2 jest 100 razy większe niż na L1. A ponieważ w L1 napięcie jest rzędu 10000 woltów, to w L2 będzie to 1 milion woltów.

Energia magnetyczna zgromadzona w L2 jest przekazywana jako energia elektryczna do kondensatora C2, który po osiągnięciu maksymalnych wartości napięcia rzędu miliona woltów jonizuje powietrze, wytwarza iskrę i jest gwałtownie rozładowywana przez ziemię. Wyładowania następują od 100 do 150 razy na sekundę.

Obwód LC1 nazywany jest rezonansowym, ponieważ energia zgromadzona w kondensatorze C1 przechodzi do cewki L1 i odwrotnie; to znaczy, występuje oscylacja.

To samo dzieje się w obwodzie rezonansowym LC2, w którym energia magnetyczna cewki L2 jest przenoszona jako energia elektryczna do kondensatora C2 i odwrotnie. To znaczy, że w obwodzie prąd w obie strony jest wytwarzany naprzemiennie.

Naturalna częstotliwość oscylacji w obwodzie LC wynosi

Rezonans i wzajemna indukcja

Gdy energia dostarczana do obwodów LC występuje z tą samą częstotliwością, co częstotliwość drgań własnych obwodu, wówczas transfer energii jest optymalny, dając maksymalne wzmocnienie w prądzie obwodu. To zjawisko wspólne dla wszystkich systemów oscylacyjnych jest znane jako rezonans.

Obwody LC1 i LC2 są sprzężone magnetycznie, co jest kolejnym zjawiskiem zwanym wzajemną indukcją.

Aby transfer energii z obwodu LC1 do LC2 i odwrotnie był optymalny, naturalne częstotliwości oscylacji obu obwodów muszą być zgodne, a także powinny pasować do częstotliwości źródła wysokiego napięcia.

Osiąga się to poprzez dostosowanie wartości pojemności i indukcyjności w obu obwodach, tak aby częstotliwości oscylacji pokrywały się z częstotliwością źródła:

W takim przypadku moc ze źródła jest efektywnie przenoszona do obwodu LC1 oraz z LC1 do LC2. W każdym cyklu oscylacji wzrasta energia elektryczna i magnetyczna zgromadzona w każdym obwodzie.

Kiedy napięcie elektryczne na C2 jest wystarczająco wysokie, energia jest uwalniana w postaci błyskawicy poprzez wyładowanie C2 do ziemi.

Zastosowania cewki Tesli

Pierwotnym pomysłem Tesli w jego eksperymentach z tymi cewkami było zawsze znalezienie sposobu na przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości bez okablowania.

Jednak niska sprawność tej metody ze względu na straty energii w wyniku rozproszenia w środowisku spowodowała konieczność poszukiwania innych sposobów przesyłania energii elektrycznej. Obecnie okablowanie jest nadal używane.

Lampa plazmowa, która pomogła rozwinąć eksperyment Tesli.

Jednak wiele oryginalnych pomysłów Nikoli Tesli jest nadal obecnych w dzisiejszych przewodowych systemach transmisyjnych. Na przykład transformatory podwyższające w podstacjach elektrycznych do przesyłu kablami o mniejszych stratach oraz transformatory obniżające do dystrybucji w domach zostały opracowane przez Teslę.

Pomimo braku zastosowania na dużą skalę, cewki Tesli nadal są przydatne w przemyśle elektrycznym wysokiego napięcia do testowania systemów izolacyjnych, wież i innych urządzeń elektrycznych, które muszą działać bezpiecznie. Są również używane w różnych programach do generowania piorunów i iskier, a także w niektórych eksperymentach fizycznych.

Ważne jest, aby podjąć środki bezpieczeństwa w eksperymentach z wysokim napięciem z dużymi cewkami Tesli. Przykładem jest zastosowanie klatek Faradaya do ochrony obserwatorów oraz kombinezonów z metalowej siatki dla wykonawców, którzy uczestniczą w pokazach z tymi kołowrotkami.

Jak zrobić domową cewkę Tesli?

składniki

W tej miniaturowej wersji cewki Tesli nie będzie stosowane żadne źródło wysokiego napięcia AC. Wręcz przeciwnie, źródłem zasilania będzie bateria 9 V, jak pokazano na schemacie na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat budowy cewki mini Tesli. Źródło: wykonane samodzielnie.

Inną różnicą w stosunku do oryginalnej wersji Tesli jest użycie tranzystora. W naszym przypadku będzie to 2222A, który jest tranzystorem NPN o niskim sygnale, ale z szybką odpowiedzią lub wysoką częstotliwością.

Obwód ma również przełącznik S, 3-zwojową cewkę pierwotną L1 i cewkę wtórną L2 o minimalnej wielkości 275 zwojów, ale może również mieć od 300 do 400 zwojów.

Cewka pierwotna może być zbudowana ze wspólnego przewodu z izolacją z tworzywa sztucznego, ale cewka wtórna wymaga cienkiego drutu pokrytego lakierem izolacyjnym, który jest zwykle używany w uzwojeniach. Nawijanie można wykonać na tekturowej lub plastikowej rurce o średnicy od 3 do 4 cm.

Korzystanie z tranzystora

Należy pamiętać, że za czasów Nikoli Tesli nie było tranzystorów. W tym przypadku tranzystor zastępuje „iskiernik” lub „wybuch” z oryginalnej wersji. Tranzystor będzie używany jako bramka, która umożliwia lub nie przepuszcza prądu. W tym celu tranzystor jest spolaryzowany w następujący sposób: kolektor c do bieguna dodatniego, a emiter e do bieguna ujemnego akumulatora.

Gdy podstawa b ma polaryzację dodatnią, to umożliwia przepływ prądu z kolektora do emitera, w przeciwnym razie zapobiega.

W naszym schemacie podstawa jest podłączona do dodatniego akumulatora, ale wstawiony jest rezystor 22 kiloomów, aby ograniczyć nadmiar prądu, który może spalić tranzystor.

Obwód pokazuje również diodę LED, która może być czerwona. Jego funkcja zostanie wyjaśniona później.

Na wolnym końcu uzwojenia wtórnego L2 umieszczona jest mała metalowa kulka, którą można wykonać poprzez przykrycie polistyrenowej kulki lub pin-ponga folią aluminiową.

Ta kula jest płytką kondensatora C, druga płytka jest otoczeniem. To właśnie jest znane jako zdolność pasożytnicza.

Jak działa cewka Mini Tesla

Gdy przełącznik S jest zamknięty, baza tranzystora jest spolaryzowana dodatnio, a górny koniec cewki pierwotnej jest również spolaryzowany dodatnio. Tak więc nagle pojawia się prąd, który przechodzi przez cewkę pierwotną, przepływa przez kolektor, opuszcza emiter i wraca do akumulatora.

Prąd ten rośnie od zera do wartości maksymalnej w bardzo krótkim czasie, dlatego indukuje siłę elektromotoryczną w cewce wtórnej. To wytwarza prąd, który płynie od spodu cewki L2 do podstawy tranzystora. Ten prąd nagle przerywa dodatnią polaryzację podstawy, tak że przepływ prądu przez pierwotne ustaje.

W niektórych wersjach dioda LED jest wyjęta i obwód działa. Jednak umieszczenie go poprawia wydajność odcinania polaryzacji bazy tranzystora.

Co się dzieje, gdy płynie prąd?

Podczas cyklu gwałtownego wzrostu prądu w obwodzie pierwotnym w uzwojeniu wtórnym indukowana była siła elektromotoryczna. Ponieważ stosunek zwojów między pierwotnym i wtórnym wynosi od 3 do 275, na wolnym końcu cewki L2 występuje napięcie 825 V w stosunku do ziemi.

W związku z powyższym w kuli kondensatora C wytwarzane jest intensywne pole elektryczne zdolne do jonizacji gazu pod niskim ciśnieniem w lampie neonowej lub świetlówce zbliżającej się do kuli C i przyspieszającej swobodne elektrony wewnątrz rury. jak wzbudzić atomy wytwarzające emisję światła.

Gdy prąd nagle ustał przez cewkę L1 i cewkę L2 wyładowaną przez powietrze otaczające C w kierunku ziemi, cykl jest wznawiany.

Ważnym punktem w tego typu obwodzie jest to, że wszystko dzieje się w bardzo krótkim czasie, dzięki czemu masz oscylator wysokiej częstotliwości. W tego typu obwodzie trzepotanie lub szybkie oscylacje wytwarzane przez tranzystor są ważniejsze niż zjawisko rezonansu opisane w poprzednim rozdziale i odnoszące się do oryginalnej wersji cewki Tesli.

Proponowane eksperymenty z cewkami mini Tesli

Po zbudowaniu mini cewki Tesli można z nią eksperymentować. Oczywiście błyskawice i iskry z oryginalnych wersji nie zostaną wyprodukowane.

Jednak za pomocą świetlówki lub lampy neonowej możemy zaobserwować, jak połączony efekt intensywnego pola elektrycznego generowanego w kondensatorze na końcu cewki i wysokiej częstotliwości oscylacji tego pola powoduje, że lampa zapalają się, zbliżając się do sfery kondensatora.

Silne pole elektryczne jonizuje gaz o niskim ciśnieniu w rurze, pozostawiając wolne elektrony w gazie. Zatem wysoka częstotliwość obwodu powoduje, że swobodne elektrony w lampie fluorescencyjnej przyspieszają i pobudzają proszek fluorescencyjny przylegający do wewnętrznej ściany rury, powodując emisję światła.

Możesz również zbliżyć świecącą diodę LED do sfery C, obserwując, jak się świeci, nawet gdy piny diody LED nie są podłączone.

Bibliografia

1. Blake, teoria cewki T. Tesli. Odzyskany z: tb3.com.
2. Burnett, R. Działanie cewki Tesli. Odzyskany z: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7th Edition. MacGraw Hill. 626-628.
4. Uniwersytet Wisconsin-Madison. Cewka Tesli. Odzyskany z: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Cewka Tesli. Odzyskane z: wikiwand.com.