TESLA SPOLE: VĒSTURE, KĀ TĀ DARBOJAS, KĀDAI TAI PAREDZĒTA - FIZISKĀ - 2025

Tesla spoli ir tinumu, kas darbojas kā augsta sprieguma, augstas frekvences ģenerators. To izgudroja fiziķis Nikola Tesla (1856 - 1943), kurš to patentēja 1891. gadā.

Magnētiskā indukcija lika Tesla domāt par iespēju pārvadīt elektrisko enerģiju bez vadītāju iejaukšanās. Tāpēc zinātnieka un izgudrotāja ideja bija izveidot ierīci, kas kalpotu elektrības pārnešanai, neizmantojot kabeļus. Tomēr šīs mašīnas izmantošana ir ļoti neefektīva, tāpēc drīz vien tā dēļ to pameta.

1. attēls. Demonstrācija ar Tesla spoli. Avots: Pixabay.

Pat ja tā, Tesla spoles joprojām var atrast ar dažiem īpašiem pielietojumiem, piemēram, balstiem vai fizikas eksperimentiem.

Vēsture

Spoļu Tesla izveidoja neilgi pēc Hērta eksperimentu atklāšanas. Pats Tesla to sauca par "elektriskās enerģijas pārvades aparātu". Tesla vēlējās pierādīt, ka elektrību var pārvadīt bez vadiem.

Kolorādospringsa laboratorijā Tesla rīcībā bija milzīga 16 metru spole, kas piestiprināta pie antenas. Ierīce tika izmantota enerģijas pārvades eksperimentu veikšanai.

Eksperimentējiet ar Tesla spirālēm.

Vienā gadījumā šī spirāle izraisīja negadījumu, kurā tika sadedzināti 10 kilometru attālumā esošās spēkstacijas dinamiki. Bojājuma rezultātā ap dinamu tinumiem tika izveidotas elektriskās loka.

Neviens no tā netraucēja Teslu, kurš turpināja eksperimentēt ar daudziem spoļu dizainparaugiem, kurus tagad pazīst ar viņa vārdu.

Kā tas darbojas?

Slavenā Tesla spole ir viens no daudzajiem dizainiem, ko Nikola Tesla izgatavoja, lai pārvadītu elektrību bez vadiem. Sākotnējās versijas bija lielas, un tajās tika izmantoti augstsprieguma un lielas strāvas avoti.

Protams, šodien ir daudz mazāki, kompakti un mājās gatavoti dizaini, kurus mēs aprakstīsim un izskaidrosim nākamajā sadaļā.

2. attēls. Tesla pamata spoles shēma. Avots: pašu gatavots.

Dizains, kura pamatā ir Tesla spoles oriģinālās versijas, ir parādīts iepriekš parādītajā attēlā. Iepriekšējā attēlā redzamo elektrisko shēmu var iedalīt trīs daļās.

Avots (F)

Avots sastāv no maiņstrāvas ģeneratora un transformatora ar lielu pastiprinājumu. Avota izeja parasti ir no 10 000 V līdz 30 000 V.

Pirmā LC 1 rezonanses ķēde

Tas sastāv no slēdža S, kas pazīstams kā "Spark Gap" vai "Explosor" un kas aizver ķēdi, kad dzirkstele lec starp tā galiem. LC 1. ķēdē ir arī kondensators C1 un spole L1, kas savienota virknē.

Otrā rezonanses ķēde LC 2

LC ķēde 2 sastāv no spoles L2, kuras griešanās attiecība ir aptuveni 100 pret 1 attiecībā pret spoli L1, un kondensatora C2. Kondensators C2 caur zemi savienojas ar spoli L2.

L2 spole parasti ir stieples brūce ar izolējošu emalju uz nevadoša materiāla, piemēram, keramikas, stikla vai plastmasas, caurules. Lai arī spole L1 nav parādīta diagrammā, tā ir ietīta uz spoles L2.

Kondensators C2, tāpat kā visi kondensatori, sastāv no divām metāla plāksnēm. Tesla spirālēs viena no C2 plāksnēm parasti ir sfēriska vai toroidāla kupola formā un virknē savienota ar L2 spoli.

C2 otra plāksne ir tuvumā esošā vide, piemēram, metālisks pjedestāls, kas pabeigts sfērā un savienots ar zemi, lai slēgtu ķēdi ar otru L2 galu, kas arī savienots ar zemi.

Darbības mehānisms

Ieslēdzot Tesla spoli, augstsprieguma avots uzlādē kondensatoru C1. Kad tas sasniedz pietiekami augstu spriegumu, tas veic dzirksteles lēkmi slēdzī S (dzirksteles sprauga vai sprādziens), aizverot I rezonanses ķēdi.

Tad kondensators C1 izlādējas caur spoli L1, veidojot mainīgu magnētisko lauku. Šis mainīgais magnētiskais lauks arī iet caur spoli L2 un izraisa elektromotora spēku uz spoles L2.

Tā kā L2 ir par 100 pagriezieniem garāks nekā L1, elektriskais spriegums visā L2 ir 100 reizes lielāks nekā L1. Un tā kā L1 spriegums ir aptuveni 10 000 voltu, tad L2 tas būs 1 miljons voltu.

L2 uzkrātā magnētiskā enerģija kā elektriskā enerģija tiek nodota kondensatoram C2, kurš, sasniedzot maksimālo sprieguma vērtību aptuveni miljons voltu, jonizē gaisu, rada dzirksteli un pēkšņi tiek izvadīts caur zemi. Izlāde notiek no 100 līdz 150 reizēm sekundē.

LC1 ķēdi sauc par rezonansi, jo kondensatorā C1 uzkrātā enerģija pāriet uz spoli L1 un otrādi; tas ir, notiek svārstības.

Tas pats notiek rezonanses ķēdē LC2, kurā spoles L2 magnētiskā enerģija tiek nodota kā elektriskā enerģija kondensatoram C2 un otrādi. Tas ir, ka shēmā pārmaiņus tiek ražota turp un atpakaļ strāva.

Dabiskā svārstību frekvence LC ķēdē ir

Rezonanse un savstarpēja indukcija

Ja LC ķēdēm pievadītā enerģija notiek ar tādu pašu frekvenci kā ķēdes dabiskā svārstību frekvence, tad enerģijas pārnešana ir optimāla, nodrošinot maksimālu ķēdes strāvas pastiprinājumu. Šī parādība, kas raksturīga visām svārstīgajām sistēmām, ir pazīstama kā rezonanse.

LC1 un LC2 ķēdes ir magnētiski savienotas, kas ir vēl viena parādība, ko sauc par savstarpēju indukciju.

Lai nodrošinātu optimālu enerģijas pārnesi no LC1 ķēdes uz LC2 un otrādi, abu ķēžu dabiskajām svārstību frekvencēm jāsakrīt, un tām arī jāatbilst augstsprieguma avota frekvencei.

To panāk, koriģējot kapacitātes un induktivitātes vērtības abās ķēdēs, tādējādi svārstību frekvences sakrīt ar avota frekvenci:

Kad tas notiek, enerģija no avota tiek efektīvi nodota LC1 ķēdē un no LC1 līdz LC2. Katrā svārstību ciklā palielinās katrā ķēdē uzkrātā elektriskā un magnētiskā enerģija.

Ja elektriskais spriegums visā C2 ir pietiekami augsts, enerģija tiek atbrīvota zibens veidā, izlādējot C2 uz zemes.

Tesla spole izmanto

Tesla sākotnējā ideja eksperimentos ar šīm spolēm vienmēr bija atrast veidu, kā pārvadīt elektrisko enerģiju lielos attālumos bez vadiem.

Tomēr šīs metodes zemā efektivitāte enerģijas zudumu dēļ, izkliedējoties vidē, lika meklēt citus līdzekļus elektroenerģijas pārvadei. Mūsdienās elektroinstalācija joprojām tiek izmantota.

Plazmas lampa, kas palīdzēja attīstīt Tesla eksperimentu.

Tomēr daudzas Nikola Tesla sākotnējās idejas joprojām pastāv mūsdienu vadu pārvades sistēmās. Piemēram, Tesla izstrādāja pastiprinošos transformatorus elektriskajās apakšstacijās pārvadei pa kabeļiem ar mazākiem zaudējumiem un pakāpju transformatorus mājas sadalei.

Neskatoties uz to, ka Tesla spoles netiek plaši izmantotas, tās joprojām ir noderīgas augstsprieguma elektriskajā rūpniecībā, lai pārbaudītu izolācijas sistēmas, torņus un citas elektriskas ierīces, kurām jādarbojas droši. Tos izmanto arī dažādos šovos, lai ģenerētu zibens un dzirksteles, kā arī dažos fizikas eksperimentos.

Ir svarīgi veikt drošības pasākumus eksperimentos ar lielu spriegumu ar lielām Tesla spolēm. Kā piemēru var minēt Faraday būru izmantošanu novērotāju un metālisku acu tērpu aizsardzībai izpildītājiem, kuri piedalās šovos ar šīm spolēm.

Kā padarīt mājās gatavotu Tesla spoli?

Komponenti

Šajā Tesla spoles miniatūrajā versijā netiks izmantots augstsprieguma maiņstrāvas avots. Gluži pretēji, enerģijas avots būs 9 V akumulators, kā parādīts diagrammā 3. attēlā.

3. attēls. Tesla mini spoles uzbūves shēma. Avots: pašu gatavots.

Otra atšķirība no sākotnējās Tesla versijas ir tranzistora izmantošana. Mūsu gadījumā tas būs 2222A, kas ir zema signāla NPN tranzistors, bet ar ātru reakciju vai augstu frekvenci.

Ķēdē ir arī slēdzis S, 3-pagrieziena primārā spole L1 un sekundārā spole L2 - vismaz 275 pagriezieni, taču tā var būt arī starp 300 un 400 pagriezieniem.

Primāro spoli var uzbūvēt ar kopēju vadu ar plastmasas izolāciju, bet sekundārajai spolei ir nepieciešama plāna stieple, kas pārklāta ar izolācijas laku, kas parasti tiek izmantota tinumiem. Aptinumu var veikt uz kartona vai plastmasas caurules, kuras diametrs ir no 3 līdz 4 cm.

Izmantojot tranzistoru

Jāatceras, ka Nikola Tesla laikā tranzistoru nebija. Šajā gadījumā tranzistors aizstāj sākotnējās versijas "dzirksteles spraugu" vai "sprāgstvielu". Tranzistors tiks izmantots kā vārti, kas atļauj vai neļauj pāriet strāvai. Šim nolūkam tranzistors tiek polarizēts šādi: kolektoru c uz pozitīvo spaili un emitētāju e uz akumulatora negatīvo spaili.

Ja pamatnei b ir pozitīva polarizācija, tas ļauj no strāvas caur kolektoru iziet emitētājam, un pretējā gadījumā tas to novērš.

Mūsu shēmā pamatne ir savienota ar akumulatora pozitīvo, bet ir ievietots 22 kilo omu rezistors, lai ierobežotu lieko strāvu, kas var sadedzināt tranzistoru.

Shēmā ir redzama arī LED diode, kas var būt sarkanā krāsā. Tās funkcija tiks izskaidrota vēlāk.

Sekundārā spoles L2 brīvajā galā tiek novietota neliela metāla bumbiņa, ko var izgatavot, pārklājot polistirola bumbiņu vai tapu ar bumbiņu ar alumīnija foliju.

Šī sfēra ir kondensatora C plāksne, otra plāksne ir vide. Tas ir tas, ko sauc par parazitāro spēju.

Kā darbojas Mini Tesla spole

Kad slēdzis S ir aizvērts, tranzistora pamatne ir pozitīvi nobīdīta, un arī primārā spoles augšējais gals ir pozitīvs. Tātad pēkšņi parādās strāva, kas iet caur primāro spoli, turpinās caur kolektoru, atstāj emitētāju un atgriežas akumulatorā.

Šī strāva ļoti īsā laikā palielinās no nulles līdz maksimālajai vērtībai, tāpēc sekundārajā spolē tā izraisa elektromotora spēku. Tas rada strāvu, kas iet no L2 spoles apakšas līdz tranzistora pamatnei. Šī strāva pēkšņi pārtrauc pamatnes pozitīvo polarizāciju, lai strāvas plūsma caur primāro apstājas.

Dažās versijās LED diode tiek noņemta, un ķēde darbojas. Tomēr tā ievietošana uzlabo tranzistora pamatnes nobīdes samazināšanas efektivitāti.

Kas notiek, kad cirkulē strāva?

Ātrās strāvas pieauguma ciklā primārajā ķēdē sekundārajā spolē tika ierosināts elektromotora spēks. Tā kā pagriezienu attiecība starp primāro un sekundāro ir no 3 līdz 275, spoles L2 brīvā gala spriegums ir 825 V attiecībā pret zemi.

Sakarā ar iepriekšminēto kondensatora C sfērā rodas intensīvs elektriskais lauks, kas spēj jonizēt gāzi zemā spiedienā neona caurulē vai dienasgaismas lampā, kas tuvojas sfērai C, un paātrināt brīvos elektronus caurules iekšpusē. lai ierosinātu atomus, kas rada gaismas emisiju.

Tā kā caur spoli L1 pēkšņi pārtrauca strāvu un L2 spole izplūst caur gaisu, kas ieskauj C zemes virzienā, cikls tiek atsākts.

Svarīgs punkts šāda veida shēmās ir tas, ka viss notiek ļoti īsā laikā, tāpēc jums ir augstfrekvences oscilators. Šāda veida shēmās tranzistora radītā plandīšanās vai straujā svārstība ir daudz svarīgāka par rezonanses parādību, kas aprakstīta iepriekšējā sadaļā un attiecas uz Tesla spoles sākotnējo versiju.

Piedāvātie eksperimenti ar mini Tesla spirālēm

Kad Tesla mini spole ir uzbūvēta, ir iespējams ar to eksperimentēt. Acīmredzot oriģinālo versiju zibens un dzirksteles netiks ražotas.

Tomēr ar dienasgaismas spuldzes vai neona caurules palīdzību mēs varam novērot, kā spoles galā kondensatorā ģenerētā intensīvā elektriskā lauka un šī lauka augstās svārstību frekvences kombinētā ietekme rada lampu iedegas tikai tuvojoties kondensatora sfērai.

Spēcīgs elektriskais lauks jonizē zema spiediena gāzi caurulē, atstājot gāzē brīvus elektronus. Tādējādi ķēdes augstā frekvence liek brīvajiem elektroniem dienasgaismas caurulē paātrināt un ierosināt dienasgaismas pulveri, kas pielīp pie caurules iekšējās sienas, izraisot tā izstarošanu gaismā.

Gaismas gaismas diodi varat tuvināt arī lodei C, novērojot, kā tā iedegas pat tad, ja gaismas diodes tapas nav savienotas.

Atsauces

1. Bleika, T. Teslas spoles teorija. Atgūts no: tb3.com.
2. Burnett, R. Tesla spoles darbība. Atgūts no: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: jēdzieni un pielietojumi. 7. izdevums. MacGraw Hill. 626-628.
4. Viskonsinas Universitāte, Medisona. Tesla spole. Atgūts no: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla spole. Atgūts no: wikiwand.com.