TESLA TEKERCS: TÖRTÉNELEM, HOGYAN MŰKÖDIK, MI AZ - FIZIKAI - 2025

A Tesla tekercs olyan tekercs, amely nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás generátorként működik. Nikola Tesla (1856 - 1943) fizikus találta ki, aki 1891-ben szabadalmaztatta.

A mágneses indukció arra késztette Teslat, hogy gondolkodjon az elektromos energia továbbításának lehetőségéről vezetők beavatkozása nélkül. Ezért a tudós és a feltaláló ötlete egy olyan eszköz létrehozása volt, amely villamosenergia-átadást szolgálna kábelek használata nélkül. Ennek a gépnek a használata azonban nagyon nem hatékony, ezért erre a célra hamarosan elhagyták.

1. ábra. A demonstráció a Tesla tekerccsel. Forrás: Pixabay.

Ennek ellenére a Tesla tekercsek továbbra is megtalálhatók bizonyos speciális alkalmazásokban, például oszlopokban vagy fizikai kísérletekben.

Történelem

A tekercset Tesla készítette röviddel Hertz kísérleteinek nyilvánosságra hozatala után. Tesla maga "elektromos energia továbbító készülékének" nevezte. Tesla bebizonyította, hogy az elektromos áram vezetékek nélkül továbbítható.

A Colorado Springs laboratóriumában Tesla rendelkezésére áll egy hatalmas 16 méteres tekercs, amelyet az antennahoz csatlakoztattak. A készüléket energiaátviteli kísérletek elvégzésére használták.

Kísérlet a Tesla tekercsekkel.

Egy alkalommal balesetet okozott ez a tekercs, amelyben a 10 kilométernél távolabb eső erőmű dinamikája égett. A hiba eredményeként elektromos ívek keletkeztek a dinamók tekercsei körül.

Ebből egyik sem akadályozta meg Teslat, aki továbbra is számos tekercsmintával kísérletezett, amelyeket ma a neve is ismert.

Hogyan működik?

A híres Tesla tekercs egyike azon sok kivitelnek, amelyet Nikola Tesla készített azért, hogy vezetékeket nélkül továbbítson áramot. Az eredeti verziók nagy méretűek voltak, és magas feszültségű és nagy áramforrásokat használtak.

Természetesen manapság sokkal kisebb, kompakt és házi tervek vannak, amelyeket a következő szakaszban ismertetünk és magyarázunk.

2. ábra: A Tesla alaptekercs vázlata. Forrás: saját készítésű.

A Tesla tekercs eredeti verzióin alapuló kivitel a fenti ábrán látható. Az előző ábra elektromos diagramja három részre osztható.

Forrás (F)

A forrás váltakozó áramú generátorból és nagy teljesítményű transzformátorból áll. A forrás kimenete általában 10 000 V és 30 000 V között van.

Az első LC 1 rezonancia áramkör

Ez egy "Spark Gap" vagy "Explosor" néven ismert S kapcsolóból áll, amely bezárja az áramkört, amikor egy szikra ugrik a végei között. Az 1 LC áramkörnek továbbá C1 kondenzátora és L1 tekerce van sorba kötve.

Második rezonáns áramkör LC 2

A 2 LC áramkör L2 tekercsből áll, amelynek forgási aránya körülbelül 100: 1 az L1 tekercshez viszonyítva, és a C2 kondenzátorról. A C2 kondenzátor földön keresztül kapcsolódik az L2 tekercshez.

Az L2 tekercs általában egy huzaltekercs, amely szigetelő zománccal van ellátva nem vezető anyagból, például kerámia, üveg vagy műanyag csőből. Az L1 tekercs, bár az ábrán nem így látható, az L2 tekercsre van feltekercselve.

A C2 kondenzátor, mint az összes kondenzátor, két fémlemezből áll. A Tesla tekercsekben a C2 lemezek egyikének általában gömb vagy toroid kupola alakja van, és sorosan kapcsolódik az L2 tekercshez.

A C2 másik táblája a közeli környezet, például egy gömbben kész fém talapzat, amely földhöz kapcsolódik, hogy az áramkört lezárja az L2 másik végével, amely szintén a földhöz kapcsolódik.

A cselekvés mechanizmusa

A Tesla tekercs bekapcsolásakor a nagyfeszültségű forrás feltölti a C1 kondenzátort. Amikor ez eléri a kellően magas feszültséget, akkor egy szikraugrás az S kapcsolóban (szikrarés vagy robbanó), bezárva az I. rezonancia áramkört.

Ezután a C1 kondenzátor kisül az L1 tekercsen, változó mágneses teret generálva. Ez a változó mágneses mező az L2 tekercsen is áthalad és elektromotoros erőt indukál az L2 tekercsre.

Mivel az L2 körülbelül 100 fordulattal hosszabb, mint az L1, az L2 keresztüli elektromos feszültség százszor nagyobb, mint az L1 keresztüli. És mivel az L1-ben a feszültség nagysága 10 000 volt, akkor L2-ben ez 1 millió volt.

Az L2-ben felhalmozódott mágneses energiát elektromos energiaként továbbítják a C2 kondenzátorra, amely, amikor egymillió voltos maximális feszültségérték eléri, ionizálja a levegőt, szikra keletkezik, és hirtelen a földön ürül. A kisülések másodpercenként 100–150 alkalommal fordulnak elő.

Az LC1 áramkört rezonánsnak nevezzük, mivel a C1 kondenzátorban felhalmozódott energia átjut az L1 tekercsre és fordítva; vagyis rezgés lép fel.

Ugyanez történik az LC2 rezonáns áramkörben, amelyben az L2 tekercs mágneses energiája elektromos energiaként kerül a C2 kondenzátorra és fordítva. Vagyis az áramkörben felváltva fordulási áramot generálnak.

Az LC kör természetes oszcillációs frekvenciája

Rezonancia és kölcsönös indukció

Ha az LC áramkörökhöz juttatott energia ugyanazon a frekvencián fordul elő, mint az áramkör természetes oszcillációja, akkor az energiaátadás optimális, maximális erősítést eredményezve az áramkörben. Ez az összes rezgőrendszerre jellemző jelenség rezonanciaként ismert.

Az LC1 és az LC2 áramkörök mágnesesen kapcsolódnak egymáshoz, ezt egy másik jelenséget nevezik kölcsönös indukciónak.

Annak érdekében, hogy az energiaátvitel az LC1 áramkörről az LC2-re és fordítva optimális legyen, a két áramkör természetes oszcillációs frekvenciáinak meg kell egyezniük, és meg kell egyezniük a nagyfeszültségű forrás frekvenciájával.

Ezt úgy érjük el, hogy a kapacitás és az induktivitás értékeket mindkét áramkörben úgy állítjuk be, hogy az oszcillációs frekvenciák egybeesjenek a forrás frekvenciájával:

Amikor ez megtörténik, a forrásból származó energia hatékonyan kerül az LC1 áramkörbe, és az LC1-ből az LC2-be. Minden rezgési ciklusban az egyes áramkörökben felhalmozódott elektromos és mágneses energia növekszik.

Ha a C2-en keresztüli elektromos feszültség elég magas, akkor az energia villám formájában szabadul fel, amikor a C2-t a földre engedi.

A Tesla tekercset használ

Tesla eredeti gondolata az ezekkel a tekercsekkel végzett kísérleteiben mindig az volt, hogy módot találjon az elektromos energia vezetékek nélküli, nagy távolságokon történő továbbítására.

Ennek a módszernek a hatékonyságának alacsony szintje, amely a környezetben való diszpergálódás miatt veszteséget okozott, szükségessé tette a villamos energia átvitelének más módjainak keresését. Ma még mindig használják a vezetékeket.

Plazma lámpa, amely elősegítette a Tesla kísérletét.

Nikola Tesla eredeti ötletei közül sok azonban továbbra is jelen van a vezetékes átviteli rendszerekben. Például a Tesla kidolgozta az alacsonyabb veszteségű kábeleken keresztüli átvitelre szolgáló villamos alállomások fokozatos transzformátorait és az otthonokban történő elosztásra szolgáló lépcsőzetes transzformátorokat.

Annak ellenére, hogy nem használják széles körben, a Tesla tekercsek továbbra is hasznosak a nagyfeszültségű villamosenergia-iparban szigetelő rendszerek, tornyok és más biztonságosan működő elektromos készülékek tesztelésére. Különböző show-kban használják villámlás és szikra előidézésére, valamint néhány fizikai kísérlethez.

A nagy Tesla tekercsekkel végzett nagyfeszültségű kísérletek során fontos biztonsági intézkedéseket tenni. Példa erre a Faraday ketrecek használata a megfigyelők és a fémhálós öltönyök védelmére az előadóművészek számára, akik ezekkel a tekercsekkel vettek részt a show-ban.

Hogyan készítsünk házi Tesla tekercset?

Alkatrészek

A Tesla tekercs miniatűr változatában nem használnak nagyfeszültségű váltóáramot. Ellenkezőleg, az energiaforrás 9 V-os akkumulátor lesz, amint az a 3. ábrán látható.

3. ábra: Tesla mini tekercs felépítésének vázlata. Forrás: saját készítésű.

A másik különbség az eredeti Tesla verzióhoz képest egy tranzisztor használata. Esetünkben a 2222A lesz, amely alacsony jelű NPN tranzisztor, de gyors reakcióval vagy magas frekvenciával rendelkezik.

Az áramkörnek van egy S kapcsolója, egy 3 fordulatú L1 primer tekercs és egy L2 másodlagos tekercs minimum 275 fordulattal, de lehet 300 és 400 fordulat között is.

Az elsődleges tekercset műanyag szigeteléssel ellátott közös huzallal lehet felépíteni, de a másodlagos tekercshez vékony huzal szükséges, szigetelő lakkkal borítva, amelyet általában a tekercselésnél használnak. A tekercselést kartonon vagy műanyag csövön végezhetjük, amelynek átmérője 3–4 cm.

A tranzisztor használata

Emlékeztetni kell arra, hogy Nikola Tesla idején nem voltak tranzisztorok. Ebben az esetben a tranzisztor helyettesíti az eredeti változat "szikrarését" vagy "robbanóját". A tranzisztor kapuként lesz felhasználva, amely lehetővé teszi vagy nem engedélyezi az áram átjutását. Ehhez a tranzisztor polarizációja az alábbiak szerint történik: c kollektor a pozitív kivezetésre és az e emitter az akkumulátor negatív kivezetésére.

Ha a b alapnak pozitív polarizációja van, akkor ez lehetővé teszi az áram átvezetését a kollektorról az emitterre, és egyébként megakadályozza.

A mi sémánkban az alap az akkumulátor pozitívjával van összekötve, de 22 kilo ohm ellenállást helyezünk be, hogy korlátozzuk a tranzisztor égetését lehetővé tevő felesleges áramot.

Az áramkör LED-es diódát is mutat, amely vörös lehet. Funkcióját később ismertetjük.

Az L2 szekunder tekercs szabad végén egy kicsi fémgömb helyezkedik el, amelyet polisztirolgömb vagy tűcsapágy alumíniumfóliával borításával készíthetünk.

Ez a gömb a C kondenzátor lemeze, a másik lemez pedig a környezet. Ez az úgynevezett parazita képesség.

Hogyan működik a Mini Tesla tekercs?

Amikor az S kapcsoló zárva van, a tranzisztor alapja pozitív előfeszítésű, és az elsődleges tekercs felső vége szintén pozitívan előfeszített. Így hirtelen megjelenik egy olyan áram, amely áthalad az elsődleges tekercsen, követi a kollektort, elhagyja a kibocsátót és visszatér az akkumulátorhoz.

Ez az áram nulláról egy maximális értékre nő nagyon rövid idő alatt, ezért indukál elektromotoros erőt a másodlagos tekercsben. Ez áramot generál, amely az L2 tekercs aljától a tranzisztor alapjáig vezet. Ez az áram hirtelen leállítja az alap pozitív polarizációját úgy, hogy az áram az elsődleges áramláson keresztül megálljon.

Bizonyos verziókban a LED-dióda eltávolítva és az áramkör működik. Ennek elhelyezése ugyanakkor javítja a tranzisztor alap torzításának csökkentésének hatékonyságát.

Mi történik, ha az áram kering?

A primer áramkör gyors áramnövekedése során a másodlagos tekercsben elektromotoros erő indukálódott. Mivel a primer és a másodlagos fordulások aránya 3 és 275 között van, az L2 tekercs szabad végének a talajhoz viszonyított feszültsége 825 V.

A fentiek miatt intenzív elektromos mező jön létre a C kondenzátor gömbében, amely alacsony gáznyomáson képes ionizálni a gázt egy neoncsőben vagy fluoreszcens lámpában, amely megközelíti a C gömböt, és felgyorsítja a szabad elektronokat a csőben. a fénykibocsátást előidéző ​​atomok gerjesztésére.

Mivel az áram hirtelen megszakadt az L1 tekercsen és az L2 tekercs a C körülvevő levegőn keresztül a föld felé ürül, a ciklust újraindítják.

Az ilyen típusú áramkörökben az a fontos szempont, hogy minden nagyon rövid idő alatt megtörténjen, így van egy nagyfrekvenciás oszcillátora. Az ilyen típusú áramkörben a tranzisztor által előidézett csapkodás vagy gyors rezgés sokkal fontosabb, mint az előző szakaszban ismertetett rezonancia-jelenség, amely a Tesla tekercs eredeti változatára utal.

Javasolt kísérletek mini Tesla tekercsekkel

A Tesla mini tekercs felépítése után lehetséges kísérletezni. Nyilvánvaló, hogy az eredeti verziók villámlását és szikrait nem fogják előállítani.

Fluoreszkáló izzó vagy neoncső segítségével azonban megfigyelhetjük, hogy a tekercs végén a kondenzátorban keletkező intenzív elektromos mező és az adott mező magas rezgési frekvenciájának együttes hatása miként hozza létre a lámpát csak a kondenzátorgömb felé közeledjen.

Az erős elektromos mező ionizálja a csőben lévő alacsony nyomású gázt, és szabad elektronokat hagy a gázban. Így az áramkör nagy frekvenciája a fluoreszcens csőben levő szabad elektronokat felgyorsítja és gerjesztik a cső belső falához tapadó fluoreszcens port, és ezzel fényt bocsátanak ki.

A világító LED-et is közelebb hozhatja a C gömbhöz, megfigyelve, hogyan világít még akkor is, ha a LED-csapokat még nem csatlakoztatták.

Irodalom

1. Blake, T. Tesla tekercselmélet. Helyreállítva: tb3.com.
2. Burnett, R. A Tesla tekercs működése. Helyreállítva: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: Fogalmak és alkalmazások. 7. kiadás. MacGraw Hill. 626-628.
4. Wisconsini Egyetem, Madison. Tesla tekercs. Helyreállítva: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla tekercs. Helyreállítva: wikiwand.com.