特斯拉線圈的工作原理是什么

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive[1]

01 特斯拉線圈

你也許看到過(guò)特斯拉線圈令人驚訝的放電展示。?它究竟如何工作的呢？?下面聽聽Kathy給我們講講特斯拉線圈每一部分是如何被發(fā)明，它的工作原理是什么。

一、感應(yīng)電流

故事發(fā)生在1826年，一為名叫斯特金的退伍士兵，?研究了纏繞在鐵棒周圍的線圈，發(fā)現(xiàn)通電之后的鐵棒具有了磁性，可以吸引金屬鐵質(zhì)物件，這就是大眾熟悉的電磁鐵。

▲ 圖1.1 電磁線圈以及電磁鐵

大約六年之后，在1831年，法拉第打算試試看可否利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流。?但他沒有那么幸運(yùn)，當(dāng)時(shí)他沒有可用的強(qiáng)磁鐵，所以決定利用電磁鐵來(lái)實(shí)驗(yàn)。?他把兩個(gè)獨(dú)立的線圈纏繞在一個(gè)鐵環(huán)兩邊。?發(fā)現(xiàn)在第一個(gè)線圈接通電壓或者斷開電壓時(shí)，第二個(gè)線圈會(huì)出現(xiàn)電流脈沖。?法拉第使用磁場(chǎng)的概念來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)線圈內(nèi)的磁場(chǎng)發(fā)生變化，便會(huì)在線圈中感應(yīng)出電流。?不過(guò)令法拉第感到居喪的是，他從未能夠感受到第二個(gè)線圈上的電壓。?那個(gè)時(shí)候人們能夠測(cè)量電壓的手段并不多，只有為數(shù)不多的幾種辦法。

▲ 圖1.2 法拉第電磁感應(yīng)線圈

二、升壓變壓器

幾年之后，一位來(lái)自愛爾蘭的牧師，業(yè)余科學(xué)家，名叫尼古拉斯·卡倫，?他對(duì)法拉第的裝置進(jìn)行改進(jìn)，可以獲得更強(qiáng)的電壓。?他把兩個(gè)線圈在同一電棒上進(jìn)行纏繞，之間是由絕緣層分隔開。?他驚奇的發(fā)現(xiàn)當(dāng)初級(jí)線圈斷開與電池的連接時(shí)，可以在次級(jí)線圈上感受到強(qiáng)烈的電擊。? 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線圈比較薄，也就是線圈匝數(shù)比較少，第二個(gè)線圈比較厚，對(duì)應(yīng)的的匝數(shù)比較多時(shí)，可以感受到第二個(gè)線圈輸出的電壓又增強(qiáng)了許多。?卡倫并不知道他發(fā)明了一個(gè)升壓變壓器。

▲ 圖1.3 卡倫的升壓變壓器

當(dāng)原邊連接電池，于是產(chǎn)生了磁場(chǎng)并把鐵芯變成了電磁鐵。?當(dāng)電池?cái)嚅_后，鐵芯失去了磁性。?因此根據(jù)法拉第提出嶄新的電磁感應(yīng)理論，每當(dāng)電池接入線圈或者斷開時(shí)，都會(huì)在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電流。?當(dāng)副邊線圈比原邊少的時(shí)候，感應(yīng)的電壓小，但產(chǎn)生的電流大。?這也解釋了為什么法拉第可以測(cè)量電電流，但并沒有感受到線圈上的電壓刺激。?當(dāng)副邊的線圈增多是，便可以產(chǎn)生更大的電壓，人們感受的電壓刺激就越強(qiáng)，但輸出的電流相對(duì)變小。

三、高壓脈沖

卡倫還發(fā)明了一個(gè)齒輪能夠不斷地完成電池進(jìn)入線圈和斷開，被稱為“重復(fù)器”，這樣就可以持續(xù)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。?他說(shuō)這是至今為止人們所建造的產(chǎn)生高壓最好的設(shè)備。?卡倫把他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)送給他的朋友斯特金，斯特金也制作了相同的設(shè)備，并對(duì)卡倫的方案進(jìn)行了改進(jìn)，?后來(lái)很多人將這個(gè)設(shè)備當(dāng)做折磨人的設(shè)備進(jìn)行出售，從而發(fā)了財(cái)。

▲ 圖1.4 斯特金制作的變壓器

令人不可思議的是，感應(yīng)線圈居然越來(lái)越流行，也被用于醫(yī)療方面，放多病癥都可以被電擊來(lái)治療，?包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，頭疼，神經(jīng)痛，風(fēng)濕病，耳朵疼，牙疼等。

于是人們開始競(jìng)相制作可以輸出更大，輸出更加穩(wěn)定持續(xù)的電擊或者火花的設(shè)備。?其中最重要的一個(gè)發(fā)明就是設(shè)計(jì)了一種線圈自動(dòng)完成通斷的設(shè)備，把原來(lái)的齒輪和手柄替代。?在原邊線圈通電時(shí)，也將鐵芯進(jìn)行磁化，于是吸引彈簧上的銜鐵擺動(dòng)，并將電流斷開。此時(shí)線圈斷電，鐵芯失去磁性。釋放了銜鐵，在彈簧作用下重新聯(lián)通線路。?這樣便可以形成20到40Hz的通斷，當(dāng)時(shí)被稱為電磁通斷器。

▲ 圖1.5 自動(dòng)電火花設(shè)備

四、諧振回路

然后，在電流通斷時(shí)會(huì)在觸電產(chǎn)生大量的火花。?到了1853年，一位法國(guó)的物理學(xué)家，名叫安阿曼德·菲扎，在電磁觸點(diǎn)兩端增加了萊頓瓶，相當(dāng)于增加了一個(gè)電容器。?萊頓瓶實(shí)際上是在玻璃瓶的內(nèi)外包裹了金屬膜，也是最早的電容器。?萊頓瓶的電容容量取決于金屬膜的面積和玻璃瓶壁的厚度。?自從加入了萊頓瓶，菲扎消除了電磁觸點(diǎn)的火花，但同時(shí)也創(chuàng)建了一個(gè)革新的設(shè)備，可以將來(lái)自電池的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電。其中的原理是什么呢？

▲ 圖1.6 萊頓瓶-高壓電容器

電池鏈接萊頓瓶，在內(nèi)外存儲(chǔ)了相反的電荷，如果使用線圈進(jìn)行短接，于是萊頓瓶放電產(chǎn)生電流脈沖。?然后，如果短接電線連接了線圈，電流脈沖通過(guò)線圈時(shí)，使得線圈內(nèi)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。?變化的磁場(chǎng)又會(huì)在線圈內(nèi)感應(yīng)出新的電流，這是線圈的自感現(xiàn)象。?因此當(dāng)萊頓瓶在線圈放電時(shí)，放電電流會(huì)持續(xù)，甚至在萊頓瓶中的電荷是放完之后還會(huì)持續(xù)，這樣就會(huì)在萊頓瓶中產(chǎn)生相反的充電電荷。?于是萊頓瓶又開始了反方向的放電，如果放電回路中沒有電阻損耗，放電電流就會(huì)來(lái)回反復(fù)流動(dòng)。?如果放電回路中存在電阻損耗，放電電流就會(huì)在每次循環(huán)中降低，直到系統(tǒng)中電能被完全釋放，沒有電流流動(dòng)。?電容與線圈相連被稱為諧振回路，現(xiàn)今仍然被應(yīng)用于振蕩電流。

▲ 圖1.7 萊頓瓶與線圈組成的諧振環(huán)路

振蕩頻率依賴于諧振回路中的電容和電感大小。?如果你想改變震蕩頻率，可以通過(guò)改變線圈大小和電容形狀。?利用這種方式，在19世紀(jì)50年代，人們可以將電池的直流電轉(zhuǎn)換成幾兆赫茲的交流脈沖信號(hào)，覆蓋無(wú)線電波頻率范圍。?又過(guò)了若干年，科學(xué)家引入了微分方程來(lái)描述電路的工作機(jī)制。?到了1886年，德國(guó)科學(xué)家海因里奇·赫茲利用感應(yīng)線圈第一次觀察到了無(wú)線電波。?然而赫茲并沒有認(rèn)識(shí)的他的發(fā)現(xiàn)的重要性，只是認(rèn)為證明了電磁波理論的正確性。

▲ 圖1.8 LC 諧振電壓波形

五、特斯拉線圈

現(xiàn)在我們聊聊尼古拉·特斯拉。?在1889年夏天特斯拉來(lái)到巴黎世界博覽會(huì)，聽說(shuō)了有關(guān)電磁波的神奇實(shí)驗(yàn)。?于是他自己著手做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，制作了感應(yīng)線圈，?但他有進(jìn)行了新的創(chuàng)新，將原來(lái)電磁通斷器去掉，使用一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈。?這是非常實(shí)質(zhì)的改進(jìn)，不再依賴于機(jī)械裝置來(lái)產(chǎn)生交變電流，而直接使用交流發(fā)電機(jī)來(lái)提供交變電源。?為此特斯拉還同時(shí)發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)，三相交流發(fā)電機(jī)。?這些裝置功率很大，使得線圈溫度上升，燒壞了線圈的絕緣層，所以他設(shè)計(jì)了空心線圈。

▲ 圖1.9 特斯拉與他發(fā)明的三相交流發(fā)電機(jī)

后來(lái)他發(fā)現(xiàn)初級(jí)中的了萊頓瓶時(shí)好時(shí)壞，于是將萊頓瓶移到高壓次級(jí)線圈， 并且對(duì)電容容量能夠調(diào)整。? 通過(guò)調(diào)整次級(jí)電容大小，也可以改變次級(jí)的諧振頻率，使其為初級(jí)交流頻率的整數(shù)倍數(shù)。?借助于這種方式，特斯拉產(chǎn)生了高頻高壓電流。利用次級(jí)電容，產(chǎn)生了可調(diào)諧的高頻電磁波。?當(dāng)時(shí)的特斯拉對(duì)于無(wú)線電報(bào)和無(wú)線廣播并不感興趣，他對(duì)無(wú)線電能傳輸照明應(yīng)用比較癡迷。?為此，他增加了意外一個(gè)諧振回路，這個(gè)回路利用單個(gè)電線便可以點(diǎn)亮燈泡。?他發(fā)現(xiàn)對(duì)于霓虹燈、熒光燈來(lái)說(shuō)，甚至不需要任何電線連接，只要靠近高壓線圈便能夠發(fā)光。?后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)在高壓線圈頂部增加巨大的金屬圓環(huán)，便可以產(chǎn)生非常漂亮的放電電弧。?這也是現(xiàn)如今特斯拉線圈最常見到的展示實(shí)驗(yàn)。

▲ 圖1.10 特斯拉高壓點(diǎn)亮氖泡和熒光燈的專利圖片

下面讓我們了解一下現(xiàn)代特斯拉線圈的工作機(jī)制以及它所能夠創(chuàng)造的迷人放電演示。?升壓變壓器通過(guò)次級(jí)線圈的增加來(lái)獲得更高的交流電壓。?線圈與電容器組成諧振回路。特斯拉線圈中，交流電壓首先通過(guò)升壓變壓器進(jìn)行電壓提升，相應(yīng)的輸出電流減少。這一點(diǎn)與當(dāng)年卡倫的變壓器作用相同。?利用放電間隙對(duì)諧振電容進(jìn)行放電，從而使得諧振回路產(chǎn)生高頻電壓。?這個(gè)高頻高壓交流電輸入到另外一個(gè)變壓器的原邊，產(chǎn)生更高的交流電壓，在次級(jí)能夠產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)伏的高壓交流電，并對(duì)金屬圓環(huán)體進(jìn)行充電。?由于頂部圓環(huán)上的電壓非常高，于是引起空氣電離，產(chǎn)生巨大的放電現(xiàn)象。

▲ 圖1.11 當(dāng)代特斯拉線圈的電路原理圖

特斯拉被這種放電現(xiàn)象所征服，他甚至設(shè)想建立一個(gè)巨大的放電塔，將整個(gè)地球都充滿電，并點(diǎn)亮大氣層。?現(xiàn)實(shí)中這并不可行，他甚至游說(shuō)，J·P 摩根來(lái)支持他。?在同一時(shí)期，一個(gè)意大利的年輕人的想法則比較折中和顯示，他叫古列爾莫·馬可尼，?他設(shè)想實(shí)現(xiàn)跨大西洋發(fā)送無(wú)線電報(bào)，后來(lái)他使用特斯拉線圈最終獲得成功。

▲ 圖1.12 Guglielmo Marconi

參考資料

[1]

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: https://www.youtube.com/watch?v=IN9jb3fzZd0&t=96s

編輯：黃飛