ТЕСЛА БОБИНА: ИСТОРИЯ, КАК РАБОТИ, ЗА КАКВО Е ПРЕДНАЗНАЧЕНА - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В Tesla намотка е намотка, която функционира като високо напрежение, висока честота генератор. Той е изобретен от физика Никола Тесла (1856 - 1943), който го патентова през 1891г.

Магнитната индукция накара Тесла да се замисли за възможността за предаване на електрическа енергия без намесата на проводниците. Затова идеята на учения и изобретател беше да създаде устройство, което да служи за прехвърляне на електричество без използване на кабели. Използването на тази машина обаче е много неефективно, така че в крайна сметка тя е изоставена за тази цел.

Фигура 1. Демонстрация с бобината Tesla. Източник: Pixabay

Въпреки това бобините на Tesla все още могат да бъдат намерени с някои специфични приложения, като например в пилони или във физически експерименти.

история

Бобината е създадена от Тесла, малко след като експериментите на Херц излязоха на бял свят. Самият Тесла го нарече "апарат за предаване на електрическа енергия". Тесла искаше да докаже, че електричеството може да се предава без проводници.

В лабораторията си в Колорадо Спрингс Тесла разполагаше с огромна 16-метрова намотка, прикрепена към антена. Устройството е използвано за провеждане на експерименти за предаване на енергия.

Експериментирайте с бобините на Tesla.

Едно време имаше инцидент, причинен от тази намотка, при която динамовете от електроцентрала, намираща се на 10 километра, бяха изгорени. В резултат на отказа, около намотките на динамовете са произведени електрически дъги.

Нищо от това не обезкуражи Tesla, който продължи да експериментира с многобройни модели намотки, които сега са известни с неговото име.

Как работи?

Известната бобина на Tesla е един от многото проекти, които Никола Тесла направи, за да предава електричество без проводници. Оригиналните версии бяха с големи размери и използваха източници на високо напрежение и висок ток.

Естествено днес има много по-малки, компактни и домашно изработени дизайни, които ще опишем и обясним в следващия раздел.

Фигура 2. Схема на основната намотка на Tesla. Източник: самостоятелно направен.

Дизайн, базиран на оригиналните версии на бобината на Tesla, е този, показан на фигурата по-горе. Електрическата диаграма от предишната фигура може да бъде разделена на три секции.

Източник (F)

Източникът се състои от генератор на променлив ток и трансформатор с високо усилване. Изходният изход обикновено е между 10 000 V и 30 000 V.

Първа резонансна верига LC 1

Състои се от превключвател S, известен като "Spark Gap" или "Explosor", който затваря веригата, когато искрата скача между краищата му. LC веригата 1 също има кондензатор С1 и намотка L1, свързани последователно.

Втора резонансна верига LC 2

LC веригата 2 се състои от намотка L2 със съотношение на завъртане приблизително 100 към 1 спрямо намотка L1 и кондензатор С2. Кондензаторът С2 се свързва към намотка L2 през земята.

Бобината L2 обикновено е навити тел с изолационен емайл върху тръба от непроводим материал като керамика, стъкло или пластмаса. Намотка L1, въпреки че не е показана така на диаграмата, е навита на намотка L2.

Кондензаторът С2, като всички кондензатори, се състои от две метални пластини. В намотките на Tesla една от плочите С2 обикновено има формата на сферичен или тороидален купол и е свързана последователно с намотката L2.

Другата платка на C2 е близката среда, например метален пиедестал, завършен в сфера и свързан със земята, за да затвори веригата с другия край на L2, също свързан със земята.

Механизъм на действие

Когато бобина от Tesla е включена, източникът на високо напрежение зарежда кондензатор С1. Когато това достигне достатъчно високо напрежение, той прави искрен скок в превключвателя S (искра на пропастта или експлозора), затваряйки резонансната верига I.

Тогава кондензаторът С1 се изпуска през намотката L1, генерира променливо магнитно поле. Това променливо магнитно поле също преминава през намотка L2 и индуцира електромоторна сила върху намотка L2.

Тъй като L2 е с около 100 оборота по-дълъг от L1, електрическото напрежение в L2 е 100 пъти по-голямо от това в L1. И тъй като в L1 напрежението е от порядъка на 10 000 волта, то в L2 ще бъде 1 милион волта.

Натрупаната в L2 магнитна енергия се прехвърля като електрическа енергия към кондензатора С2, който, когато достигне максимални стойности на напрежението от порядъка на милион волта, йонизира въздуха, произвежда искра и се изхвърля рязко през земята. Разрядите се случват между 100 и 150 пъти в секунда.

LC1 веригата се нарича резонансна, защото натрупаната енергия в кондензатора С1 преминава към намотката L1 и обратно; тоест възниква колебание.

Същото се случва в резонансната верига LC2, в която магнитната енергия на намотката L2 се прехвърля като електрическа енергия към кондензатора С2 и обратно. Тоест, че във веригата се променя последователно ток на кръговото движение.

Естествената честота на трептене в LC верига е

Резонанс и взаимна индукция

Когато енергията, подавана в LC веригите, възниква на същата честота като естествената честота на трептене на веригата, тогава преносът на енергия е оптимален, произвеждайки максимално усилване в тока на веригата. Това явление, общо за всички осцилиращи системи, е известно като резонанс.

LC1 и LC2 веригите са магнитно свързани, друго явление, наречено взаимна индукция.

За оптимален пренос на енергия от веригата LC1 към LC2 и обратно, честотите на естествените трептения на двете вериги трябва да съвпадат и те също трябва да съответстват на честотата на източника на високо напрежение.

Това се постига чрез регулиране на стойностите на капацитета и индуктивността в двете вериги, така че честотите на трептене да съвпадат с честотата на източника:

Когато това се случи, мощността от източника се прехвърля ефективно към веригата LC1 и от LC1 към LC2. Във всеки цикъл на трептене електрическата и магнитната енергия, натрупана във всяка верига, се увеличават.

Когато електрическото напрежение в С2 е достатъчно високо, тогава енергията се отделя под формата на мълния чрез изхвърляне на С2 към земята.

Използва се Tesla бобина

Първоначалната идея на Тесла в експериментите му с тези намотки винаги е била да намери начин да предава електрическа енергия на дълги разстояния без окабеляване.

Въпреки това, ниската ефективност на този метод, дължаща се на загуби на енергия от дисперсия през околната среда, наложи да се търсят други средства за предаване на електрическа енергия. Днес окабеляването все още се използва.

Плазмена лампа, която помогна за разработването на експеримента на Tesla.

Въпреки това, много от първоначалните идеи на Никола Тесла все още присъстват в днешните системи за кабелна трансмисия. Например, засилващи трансформатори в електрически подстанции за предаване по кабели с по-малко загуби и понижаващи трансформатори за разпространение в домовете са разработени от Tesla.

Въпреки че не използват широкомащабно, бобините на Tesla продължават да бъдат полезни в електрическата индустрия с високо напрежение за тестване на изолационни системи, кули и други електрически устройства, които трябва да функционират безопасно. Те също се използват в различни предавания за генериране на светкавици и искри, както и в някои физически експерименти.

Важно е да се вземат мерки за безопасност при експерименти с високо напрежение с големи намотки на Tesla. Пример е използването на клетки Faraday за защита на наблюдателите и метални мрежести костюми за изпълнители, които участват в шоута с тези барабани.

Как да си направим домашна бобина Tesla?

елементи

В тази миниатюрна версия на бобината на Tesla няма да се използва източник на променлив ток с високо напрежение. Напротив, източникът на захранване ще бъде 9 V батерия, както е показано на диаграмата на фигура 3.

Фигура 3. Схематично за изграждане на мини намотка Tesla. Източник: самостоятелно направен.

Другата разлика от оригиналната версия на Tesla е използването на транзистор. В нашия случай това ще е 2222A, който е нискосигнален NPN транзистор, но с бърза реакция или висока честота.

Веригата също има превключвател S, 3-оборотна първична намотка L1 и вторична намотка L2 от 275 оборота минимум, но тя също може да бъде между 300 и 400 оборота.

Основната намотка може да бъде изградена с обикновен проводник с пластмасова изолация, но вторичната намотка изисква тънка тел, покрита с изолационен лак, която е тази, която обикновено се използва при намотки. Навиването може да се извърши върху картонена или пластмасова тръба, която е с диаметър между 3 и 4 см.

Използване на транзистора

Трябва да се помни, че по времето на Никола Тесла не е имало транзистори. В този случай транзисторът замества "искрата на пропастта" или "експлозора" на оригиналната версия. Транзисторът ще се използва като порта, която позволява или не преминаването на ток. За това транзисторът е поляризиран, както следва: колекторът c към положителния извод и емитер e към отрицателния извод на акумулатора.

Когато основата b има положителна поляризация, тогава тя позволява преминаването на ток от колектора към емитера и в противен случай го предотвратява.

В нашата схема основата е свързана с положителната на батерията, но се вмъква резистор от 22 килограма ома, за да се ограничи излишният ток, който може да изгори транзистора.

Веригата също показва LED диод, който може да бъде червен. Функцията му ще бъде обяснена по-късно.

В свободния край на вторичната намотка L2 се поставя малка метална топка, която може да бъде направена чрез покриване на полистиролна топка или топка с понг с алуминиево фолио.

Тази сфера е плочата на кондензатор С, другата плоча е околната среда. Това е това, което е известно като паразитен капацитет.

Как работи бобината на Mini Tesla

Когато превключвателят S е затворен, основата на транзистора е положително пристрастена, а горният край на първичната намотка също е положително пристрастен. Така рязко се появява ток, който преминава през първичната намотка, продължава през колектора, напуска излъчвателя и се връща към батерията.

Този ток нараства от нула до максимална стойност за много кратко време, поради което предизвиква електромоторна сила във вторичната намотка. Това произвежда ток, който отива от дъното на намотката L2 до основата на транзистора. Този ток рязко спира положителната поляризация на основата, така че токът през първичните спира.

В някои версии LED диодът се отстранява и веригата работи. Поставянето му обаче подобрява ефективността при рязане на отклонение на основата на транзистора.

Какво се случва, когато токът циркулира?

По време на цикъла на бързо нарастване на тока в първи контур, във вторичната намотка е индуцирана електромоторна сила. Тъй като съотношението на завоите между първичен и вторичен е 3 до 275, свободният край на бобината L2 има напрежение 825 V по отношение на земята.

Поради гореизложеното се създава интензивно електрическо поле в сферата на кондензатор С, способно да йонизира газа при ниско налягане в неонова тръба или флуоресцентна лампа, която се приближава до сферата С и ускорява свободните електрони вътре в тръбата. за да възбуди атомите, които произвеждат светлинното излъчване.

Тъй като токът рязко е прекъснал през намотка L1 и намотка L2, изхвърлена през въздуха, заобикалящ С към земята, цикълът се рестартира.

Важният момент в този тип верига е, че всичко се случва за много кратко време, така че да имате високочестотен осцилатор. При този тип верига трептенето или бързото колебание, произведено от транзистора, е по-важно от феномена на резонанса, описан в предишния раздел, и се отнася до оригиналната версия на намотката на Tesla.

Предложени експерименти с мини намотки Tesla

След като бъде изградена мини намотката Tesla, е възможно да се експериментира с нея. Очевидно няма да бъдат произведени светкавиците и искрите на оригиналните версии.

Въпреки това, с помощта на луминесцентна крушка или неонова тръба можем да наблюдаваме как комбинираният ефект на интензивното електрическо поле, генерирано в кондензатора в края на намотката и високата честота на трептене на това поле, правят лампата светнете само приближавайки се до кондензаторната сфера.

Силното електрическо поле йонизира газа с ниско налягане в тръбата, оставяйки свободни електрони в него. По този начин високата честота на веригата кара свободните електрони във флуоресцентната тръба да се ускоряват и възбуждат флуоресцентния прах, прилепнал към вътрешната стена на тръбата, причинявайки тя да излъчва светлина.

Можете също така да донесете светещ светодиод по-близо до сфера С, като наблюдавате как той светва, дори когато светодиодните щифтове не са свързани.

Препратки

1. Блейк, теория на намотката на Т. Тесла. Възстановена от: tb3.com.
2. Бърнет, Р. Работа на намотката на Тесла. Възстановено от: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-мо издание. MacGraw Hill. 626-628.
4. Университет на Уисконсин-Медисън. Тесла бобина. Възстановено от: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Тесла бобина. Възстановено от: wikiwand.com.