Катушка Тесла - Tesla coil

Катушка Тесла

Катушка Тесла на Квестакон, Национальный научно-технический центр в г. Канберра, Австралия
Использует	Применение в учебных демонстрациях, новинка освещение, Музыка
Изобретатель	Никола Тесла
Похожие материалы	Трансформатор, электромагнитное поле, резонанс

А Катушка Тесла это электрический схема резонансного трансформатора разработан изобретателем Никола Тесла в 1891 г.^[1][2] Он используется для производства высокихНапряжение, низкий-Текущий, высоко частота переменный ток электричество.^{[3][4][5][6][7][8][9]} Тесла экспериментировал с множеством различных конфигураций, состоящих из двух, а иногда и трех связанных резонансные электрические цепи.

Тесла использовал эти схемы для проведения инновационных экспериментов в области электрических освещение, фосфоресценция, Рентгеновское излучение, высокая частота переменный ток явления электротерапия, а передача электроэнергии без проводов. Цепи катушки Тесла были коммерчески использованы в искровые радиопередатчики за беспроводной телеграф до 1920-х годов,^{[1][10][11][12][13][14]} и в медицинском оборудовании, таком как электротерапия и фиолетовый луч устройств. Сегодня они в основном используются для развлекательных и образовательных дисплеев, хотя небольшие катушки все еще используются в качестве детекторов утечек для систем высокого вакуума.^[9][15][16]

Операция

Самодельная катушка Тесла в действии, показывая кистевые выделения от тороида. Высота электрическое поле заставляет воздух вокруг вывода высокого напряжения ионизировать и проводят электричество, позволяя электричеству течь в воздух красочными коронный разряд, кистевые выделения и стримерные дуги. Катушки Тесла используются для развлечения в научных музеях и массовых мероприятиях, а также для создания спецэффектов в фильмах и на телевидении.

Катушка Тесла - это радиочастота осциллятор который управляет воздушным сердечником с двойной настройкой резонансный трансформатор для получения высоких напряжений при малых токах.^{[10][17][18][19][20][21]} В оригинальных схемах Теслы, а также в большинстве современных катушек используются простые разрядник для возбуждения колебаний в настроенном трансформаторе. Более сложные конструкции используют транзистор или же тиристор^[17] переключатели или вакуумная труба электронные генераторы для управления резонансным трансформатором.

Катушки Тесла могут выдавать выходное напряжение от 50киловольты до нескольких миллионов вольт для больших катушек.^[17][19][21] Выход переменного тока находится в низком радиочастота диапазон, обычно от 50 кГц до 1 МГц.^[19][21] Хотя некоторые катушки, управляемые генератором, генерируют непрерывный переменный ток, большинство катушек Тесла имеют импульсный выход;^[17] Высокое напряжение состоит из быстрой последовательности импульсов переменного тока высокой частоты.^[16]

Общая схема катушки Тесла с искровым возбуждением, показанная ниже, состоит из следующих компонентов:^[18][22]

• Источник высокого напряжения трансформатор (Т), чтобы поднять сетевое напряжение переменного тока до достаточно высокого, чтобы проскочить искровой промежуток. Типичное напряжение составляет от 5 до 30 киловольт (кВ).^[22]
• А конденсатор (C1) который образует настроенную схему с первичная обмотка L1 трансформатора Тесла
• А разрядник (SG) который действует как переключатель в первичной цепи
• Катушка Тесла (L1, L2), воздушный сердечник с двойной настройкой резонансный трансформатор, который генерирует высокое выходное напряжение.
• По желанию - емкостный электрод (верхняя нагрузка) (E) в виде гладкого металлического шара или тор прикреплен к вторичной клемме катушки. Его большая площадь поверхности подавляет преждевременный пробой воздуха и дуговые разряды, увеличивая тем самым Добротность и выходное напряжение.

Резонансный трансформатор

Дальнейшая информация: Резонансная индуктивная связь

Дальнейшая информация: Типы трансформаторов § Резонансный трансформатор

Схема униполярной катушки Тесла. C2 не является фактическим конденсатором, но представляет собой паразитная емкость вторичных обмоток L2, плюс емкость на массу тороидального электрода E

Более подробный эквивалентная схема вторичной обмотки, показывающей вклад различных паразитных емкостей

Специализированный трансформатор, используемый в цепи катушки Тесла, называется резонансный трансформатор, колебательный трансформатор или радиочастотный (RF) трансформатор, работает иначе, чем обычный трансформатор, используемый в цепях питания переменного тока.^[23][24][25] А обычный трансформатор предназначен для передача Энергоэффективность от первичной до вторичной обмотки, резонансный трансформатор также предназначен для временно хранить электроэнергия. Каждая обмотка имеет емкость через него и функционирует как LC-цепь (резонансный контур, настроенная схема ), накапливая колеблющуюся электрическую энергию, аналогично тому, как камертон хранит колебательную механическую энергию. В первичная обмотка (L1) состоящий из относительно небольшого количества витков тяжелой медной проволоки или трубки, подключен к конденсатор (C1) сквозь разрядник (SG).^[17][18] В вторичная обмотка (L2) состоит из множества витков (от сотен до тысяч) тонкой проволоки на полой цилиндрической форме внутри первичной обмотки. Вторичная обмотка не подключена к реальному конденсатору, но также функционирует как LC-цепь, индуктивность (L2) резонирует с паразитной емкостью (C2), сумма случайных паразитная емкость между обмотками катушки и емкостью тороидальный металлический электрод, прикрепленный к высоковольтной клемме. Первичный и вторичный контуры настроены таким образом, что они резонируют на одной и той же частоте, у них одинаковые резонансная частота.^[15] Это позволяет им обмениваться энергией, поэтому осциллирующий ток попеременно между первичной и вторичной обмотками. В физике эти две связанные контуры резервуара также известны как связанные генераторы.

Своеобразная конструкция катушки продиктована необходимостью достижения низких резистивных потерь энергии (высокая добротность ) на высоких частотах,^[19] что приводит к самым большим вторичным напряжениям:

• Обычные силовые трансформаторы имеют железное ядро для увеличения магнитной связи между катушками. Однако на высоких частотах железный сердечник вызывает потери энергии из-за вихревые токи и гистерезис, поэтому он не используется в катушке Тесла.^[25]
• Обычные трансформаторы спроектированы так, чтобы быть «прочно связанными». Благодаря железному сердечнику и непосредственной близости обмоток они имеют высокую взаимная индуктивность (М), то коэффициент связи близка к единице 0,95 - 1,0, что означает, что почти все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную.^[23][25] Напротив, трансформатор Тесла «слабо связан»,^[17][25] первичная обмотка большего диаметра и удалена от вторичной,^[18] поэтому взаимная индуктивность ниже, а коэффициент связи составляет всего 0,05–0,2.^[26] Это означает, что только от 5% до 20% магнитного поля первичной катушки проходит через вторичную, когда она разомкнута.^[17][22] Слабая связь замедляет обмен энергией между первичной и вторичной катушками, что позволяет колебательной энергии дольше оставаться во вторичной цепи, прежде чем она вернется в первичную и начнет рассеиваться в искре.
• Каждая обмотка также ограничена одним слоем проволоки, что снижает эффект близости убытки. Первичная обмотка несет очень высокие токи. Поскольку ток высокой частоты в основном течет по поверхности проводников из-за скин эффект, он часто изготавливается из медных трубок или полос с большой площадью поверхности для уменьшения сопротивления, а его витки разнесены, что снижает потери на эффект близости и искрение между витками.^[27][28]

Униполярная конструкция катушки широко используется в современных катушках. Первичная обмотка - это плоская красная спиральная обмотка внизу, вторичная - это вертикальная цилиндрическая катушка, намотанная тонким красным проводом. Клемма высокого напряжения - алюминий тор в верхней части вторичной обмотки

Биполярная катушка, использовавшаяся в начале 20 века. Имеются две выходные клеммы высокого напряжения, каждая из которых подключена к одному концу вторичной обмотки с искровым разрядником между ними. Первичная обмотка состоит из 12 витков толстого провода, который расположен посередине вторичной обмотки, чтобы предотвратить образование дуги между катушками.

Выходная схема может иметь две формы:

• Униполярный: Один конец вторичной обмотки подключен к единственной высоковольтной клемме, другой конец заземленный. Этот тип используется в современных катушках, предназначенных для развлечения. Первичная обмотка расположена рядом с нижним концом вторичной обмотки с низким потенциалом, чтобы минимизировать дуги между обмотками. Поскольку земля (Земля) служит обратным путем для высокого напряжения, дуги стримеров от терминала имеют тенденцию переходить на любой ближайший заземленный объект.
• Биполярный: Ни один конец вторичной обмотки не заземлен, и оба подключены к клеммам высокого напряжения. Первичная обмотка расположена в центре вторичной катушки, на равном расстоянии между двумя выводами с высоким потенциалом, чтобы предотвратить возникновение дуги.

Рабочий цикл

Схема работает в быстром повторяющемся цикле, в котором трансформатор питания (Т) заряжает первичный конденсатор (C1) вверх, который затем разряжается в виде искры через искровой промежуток, создавая короткий импульс колеблющегося тока в первичной цепи, который возбуждает высокое колебательное напряжение во вторичной обмотке:^{[20][22][25][29]}

1. Ток от питающего трансформатора (Т) заряжает конденсатор (C1) к высокому напряжению.
2. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжение пробоя разрядника (SG) начинается искра, что снижает сопротивление искрового промежутка до очень низкого значения. Это замыкает первичную цепь, и ток от конденсатора течет через первичную катушку. (L1). Ток быстро течет вперед и назад между пластинами конденсатора через катушку, генерируя высокочастотный колебательный ток в первичной цепи в точках цепи. резонансная частота.
3. Колеблющиеся магнитное поле первичной обмотки индуцирует колебательный ток во вторичной обмотке (L2), к Закон индукции Фарадея. За несколько циклов энергия в первичном контуре передается вторичному. Общая энергия в настроенных схемах ограничена энергией, изначально хранящейся в конденсаторе. C1, так как колебательное напряжение во вторичной обмотке возрастает по амплитуде («звонит вверх»), колебания в первичной обмотке уменьшаются до нуля («звонят вниз»). Хотя концы вторичной катушки открыты, она также действует как настроенная цепь из-за емкости (C2), сумма паразитная емкость между витками катушки плюс емкость тороидального электрода E. Ток быстро течет вперед и назад через вторичную катушку между ее концами. Из-за небольшой емкости колебательное напряжение на вторичной катушке, которое появляется на выходном зажиме, намного больше, чем первичное напряжение.
4. Вторичный ток создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение обратно в первичной катушке, и в течение ряда дополнительных циклов энергия передается обратно в первичную обмотку. Этот процесс повторяется, энергия быстро переключается между первичной и вторичной настроенными цепями. Колебательные токи в первичной и вторичной обмотках постепенно затухают («звенят вниз») из-за энергии, рассеиваемой в виде тепла в искровом промежутке и сопротивлении катушки.
5. Когда ток через искровой промежуток становится недостаточным для ионизации воздуха в промежутке, искра останавливается («гаснет»), прекращая ток в первичной цепи. Колебательный ток во вторичной обмотке может продолжаться некоторое время.
6. Ток от питающего трансформатора начинает заряжать конденсатор. C1 снова и цикл повторяется.

Весь этот цикл происходит очень быстро, колебания затухают за время порядка миллисекунды. Каждая искра в искровом промежутке создает на выходе катушки импульс затухающего синусоидального высокого напряжения. Каждый импульс гаснет до появления следующей искры, поэтому катушка генерирует цепочку затухающие волны, а не непрерывное синусоидальное напряжение.^[20] Высокое напряжение питающего трансформатора, заряжающего конденсатор, составляет 50 или 60 Гц. синусоидальная волна. В зависимости от того, как установлен искровой разрядник, обычно на пике каждого полупериода сетевого тока возникают одна или две искры, поэтому в секунду возникает более сотни искр. Таким образом, искра в искровом промежутке кажется непрерывной, как и высоковольтные стримеры в верхней части катушки.

Трансформатор питания (Т) вторичная обмотка подключена к первичной настроенной цепи. Может показаться, что трансформатор будет путём утечки высокочастотного тока, гасящего колебания. Однако его большой индуктивность дает очень высокий сопротивление на резонансной частоте, поэтому он действует как разомкнутая цепь для колебательного тока. Если трансформатор питания не соответствует требованиям индуктивность рассеяния, радиочастота задыхается размещены во вторичных выводах, чтобы блокировать ВЧ ток.

Частота колебаний

Для получения максимального выходного напряжения первичная и вторичная настроенные цепи настраиваются на резонанс друг с другом.^[19][20][23] В резонансные частоты первичных и вторичных цепей, ${displaystyle scriptstyle f_{1}}$ и ${displaystyle scriptstyle f_{2}}$, определяются индуктивность и емкость в каждой цепи:^[19][20][23]

${displaystyle f_{1}={1 over {2pi {sqrt {L_{1}C_{1}}}}}qquad qquad f_{2}={1 over {2pi {sqrt {L_{2}C_{2}}}}},}$

Обычно вторичная обмотка не регулируется, поэтому первичная цепь настраивается, как правило, с помощью подвижного отвода на первичной обмотке L.₁, пока он не будет резонировать на той же частоте, что и вторичный:

${displaystyle f={1 over {2pi {sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 over {2pi {sqrt {L_{2}C_{2}}}}},}$

Таким образом, условие резонанса между первичной и вторичной обмотками:

${displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2},}$

Резонансная частота катушек Тесла находится в низком радиочастота (RF) диапазон, обычно от 50 кГц до 1 МГц. Однако из-за импульсивного характера искры они создают широкополосный радиошум, и без защиты может быть значительным источником RFI, создавая помехи для радио- и телевещания.

Выходное напряжение

Большая катушка, создающая дуги стримеров длиной 3,5 метра (10 футов), что указывает на потенциал в миллионы вольт

В резонансном трансформаторе высокое напряжение создается резонансом; выходное напряжение не пропорционально соотношению витков, как в обычном трансформаторе.^[25][30] Его можно приблизительно рассчитать из сохранение энергии. В начале цикла, когда начинается искра, вся энергия в первичной цепи ${displaystyle W_{1}}$ хранится в первичном конденсаторе ${displaystyle C_{1}}$. Если ${displaystyle V_{1}}$ напряжение, при котором разрядник пробивается, обычно близко к пиковому выходному напряжению питающего трансформатора. Т, эта энергия

${displaystyle W_{1}={1 over 2}C_{1}V_{1}^{2},}$

Во время «звонка» эта энергия передается во вторичный контур. Хотя часть энергии теряется в виде тепла в искре и других сопротивлениях, в современных катушках более 85% энергии попадает во вторичную обмотку.^[20] На пике (${displaystyle V_{2}}$) вторичного синусоидального сигнала напряжения, вся энергия вторичного ${displaystyle W_{2}}$ хранится в емкости ${displaystyle C_{2}}$ между концами вторичной обмотки

${displaystyle W_{2}={1 over 2}C_{2}V_{2}^{2},}$

Предполагая отсутствие потерь энергии, ${displaystyle W_{2};=;W_{1}}$. Подставляя в это уравнение и упрощая, пиковое вторичное напряжение равно^[19][20][25]

${displaystyle V_{2}=V_{1}{sqrt {C_{1} over C_{2}}}=V_{1}{sqrt {L_{2} over L_{1}}}.}$

Вторая формула выше получена из первой с использованием условия резонанса ${displaystyle L_{1}C_{1};=;L_{2}C_{2}}$.^[25] Поскольку емкость вторичной катушки очень мала по сравнению с первичным конденсатором, первичное напряжение повышается до высокого значения.^[20]

Вышеупомянутое пиковое напряжение достигается только в катушках, в которых отсутствуют воздушные разряды; в катушках, которые создают искры, например, в развлекательных катушках, пиковое напряжение на клеммах ограничено напряжением, при котором воздух ломается и становится проводящим.^[20][25][27] Поскольку выходное напряжение увеличивается во время каждого импульса напряжения, оно достигает точки, в которой воздух рядом с высоковольтным выводом ионизирует и корона, кистевые выделения и стримерные дуги, вырваться из терминала. Это происходит, когда электрическое поле сила превышает диэлектрическая прочность воздуха около 30 кВ на сантиметр. Поскольку электрическое поле наибольшее на острых концах и краях, в этих точках высоковольтного вывода начинаются воздушные разряды. Напряжение на высоковольтном выводе не может превысить напряжение пробоя воздуха, потому что дополнительный электрический заряд, накачанный на вывод от вторичной обмотки, просто улетучивается в воздух. Выходное напряжение катушек Тесла под открытым небом ограничено несколькими миллионами вольт из-за пробоя воздуха.^[15] но более высокие напряжения могут быть достигнуты с помощью катушек, погруженных в резервуары под давлением изоляционное масло.

Верхняя нагрузка или электрод "тороид"

Твердотельная катушка Тесла DRSSTC с заостренным проводом, прикрепленным к тороиду для производства кисть

Большинство конструкций катушек Тесла имеют гладкую сферическую или тороидальный фигурный металлический электрод на высоковольтном выводе. Электрод служит одной пластиной конденсатор, с Землей в качестве другой пластины, образующей настроенная схема со вторичной обмоткой. Хотя «тороид» увеличивает вторичную емкость, которая имеет тенденцию уменьшать пиковое напряжение, его основным эффектом является то, что его изогнутая поверхность большого диаметра снижает потенциальный градиент (электрическое поле ) на высоковольтном выводе; он функционирует аналогично коронное кольцо, увеличивая порог напряжения, при котором возникают воздушные разряды, такие как коронный и щеточный разряды.^[31] Подавление преждевременного пробоя воздуха и потерь энергии позволяет напряжению повышаться до более высоких значений на пиках формы волны, создавая более длинные и более впечатляющие стримеры, когда, наконец, происходят воздушные разряды.^[25]

Если верхний электрод большой и достаточно гладкий, электрическое поле на его поверхности может никогда не стать достаточно высоким даже при пиковом напряжении, чтобы вызвать пробой воздуха, и разряды воздуха не возникнут. У некоторых развлекательных катушек есть острая «точка искры», выступающая из тора, чтобы начать разряды.^[31]

Типы

Термин «катушка Тесла» применяется к ряду цепей резонансного трансформатора высокого напряжения.

Возбуждение

Внутренности современной твердотельной катушки Тесла одноплатной конструкции

Схема простой одиночной резонансной твердотельной катушки Тесла, в которой заземляющий конец вторичной обмотки подает фазу тока обратной связи на транзисторный генератор.

Эта блок-схема объясняет принцип работы цепи возбуждения резонансного типа по току катушки Тесла.

Цепи катушки Тесла можно классифицировать по типу «возбуждения», который они используют, по типу цепи, по которой подается ток на первичную обмотку резонансного трансформатора:^[15][32][33]

• Искро-возбужденный или же Катушка Тесла с искровым зазором (SGTC): Этот тип использует разрядник замкнуть первичный контур, возбуждая колебания в резонансном трансформаторе. У искровых разрядников есть недостатки, связанные с большими первичными токами, с которыми они должны справляться. Во время работы они издают очень громкий шум, озон газ и высокие температуры, которые часто требуют системы охлаждения. Энергия, рассеиваемая в искре, также снижает Добротность и выходное напряжение. Катушки Теслы были искровым возбуждением.
  • Статический разрядник: Это наиболее распространенный тип, который подробно описывался в предыдущем разделе. Он используется в большинстве развлекательных катушек. Напряжение переменного тока от трансформатора питания высокого напряжения заряжает конденсатор, который разряжается через искровой промежуток. Частота искры не регулируется, но определяется частотой сети 50 или 60 Гц. В каждом полупериоде могут возникать множественные искры, поэтому импульсы выходного напряжения не могут быть равномерно распределены.
  • Статический искровой разрядник: В коммерческих и промышленных схемах часто подается постоянное напряжение от источника питания для зарядки конденсатора и используются импульсы высокого напряжения, генерируемые генератором, подаваемым на запускающий электрод, для зажигания искры.^[17] Это позволяет контролировать частоту искры и напряжение возбуждения. Промышленные искровые разрядники часто помещаются в изолирующую газовую атмосферу, такую ​​как гексафторид серы, уменьшая длину и, следовательно, потери энергии в искре.
  • Поворотный искровой разрядник: В них используется искровой разрядник, состоящий из электродов по периферии колеса, вращаемого с высокой скоростью двигателем, которые создают искры, когда проходят мимо неподвижного электрода. Тесла использовал этот тип на своих больших катушках, и сегодня они используются в больших развлекательных катушках. Высокая скорость разделения электродов быстро гасит искру, позволяя гасить «первую ступеньку», что делает возможным более высокие напряжения. Колесо обычно приводится в движение синхронный двигатель, поэтому искры синхронизируются с частотой сети переменного тока, причем искра возникает в одной и той же точке формы сигнала переменного тока в каждом цикле, поэтому первичные импульсы повторяются.
• Переключено или же Твердотельная катушка Тесла (SSTC): Они используют силовые полупроводниковые приборы, обычно тиристоры или же транзисторы Такие как МОП-транзисторы или же IGBT,^[17] запускается твердотельным осциллятор схема коммутации импульсов напряжения от источника постоянного тока через первичную обмотку. Они обеспечивают импульсное возбуждение без недостатков искрового разрядника: громкого шума, высоких температур и низкого КПД. Напряжение, частоту и форму волны возбуждения можно точно контролировать. SSTC используются в большинстве коммерческих, промышленных и исследовательских приложений.^[17] а также развлекательные катушки более высокого качества.
  • Единая резонансная твердотельная катушка Тесла (SRSSTC): В этой цепи первичная обмотка не имеет резонансного конденсатора и поэтому не является настроенной схемой; только вторичное есть. Импульсы тока на первичную обмотку от переключающих транзисторов вызывают резонанс во вторичной настроенной цепи. Одиночные настраиваемые SSTC проще, но обычно резонансный контур имеет более низкую Добротность и не может производить такое высокое напряжение при заданной входной мощности, как DRSSTC.
  • Двойная резонансная твердотельная катушка Тесла (DRSSTC): Схема аналогична схеме с двойным настроенным искровым возбуждением, за исключением того, что вместо высоковольтного трансформатора переменного тока конденсатор заряжается источником постоянного тока, а вместо искрового промежутка полупроводниковые переключатели замыкают цепь между конденсатором и первичной катушкой.
  • Поющая катушка Тесла или же музыкальная катушка Тесла: Это катушка Тесла, на которой можно играть как на музыкальном инструменте, с ее высоковольтными разрядами, воспроизводящими простые музыкальные тона. Импульсы напряжения возбуждения, прикладываемые к первичной обмотке, модулируются со скоростью звука твердотельной схемой «прерыватель», заставляя дуговую разрядку от высоковольтного вывода издавать звуки. Пока созданы только тоны и простые аккорды; катушка не может функционировать как громкоговоритель, воспроизводящие сложные музыкальные или голосовые звуки. Вывод звука контролируется клавиатурой или MIDI файл применяется к схеме через MIDI интерфейс. Два модуляция были использованы техники: AM (амплитудная модуляция возбуждающего напряжения) и ЧИМ (частотно-импульсная модуляция ). В основном они строятся как новинки для развлечения.
• Непрерывная волна: В них трансформатор приводится в движение генератор обратной связи, который прикладывает импульс тока к первичной обмотке каждый цикл высокочастотного тока, возбуждая непрерывное колебание. Первичный настроенный контур служит резервуарный контур генератора, и схема напоминает радиопередатчик. В отличие от предыдущих схем, которые генерируют импульсный выходной сигнал, они генерируют непрерывный синусоидальная волна выход. Мощность вакуумные трубки часто используются в качестве активных устройств вместо транзисторов, поскольку они более надежны и устойчивы к перегрузкам. Как правило, непрерывное возбуждение дает более низкие выходные напряжения при заданной входной мощности, чем импульсное возбуждение.

Количество катушек

Цепи Тесла также можно классифицировать по количеству катушки (индукторы ) в них содержатся:^[34][35]

• Две катушки или же двойной резонансный схемы: Практически все существующие катушки Тесла используют две катушки резонансный трансформатор, состоящая из первичной обмотки, к которой прикладываются импульсы тока, и вторичной обмотки, вырабатывающей высокое напряжение, изобретенной Теслой в 1891 году. Термин «катушка Тесла» обычно относится к этим схемам.
• Три катушки, тройной резонанс, или же лупа схемы: это схемы с тремя катушками, основанные на схеме «увеличивающего передатчика» Теслы, с которой он начал экспериментировать где-то до 1898 года и установленной в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс в 1899–1900 годах и запатентованной в 1902 году.^[36][37][38] Они состоят из двухкатушечного повышающего трансформатора с воздушным сердечником, аналогичного трансформатору Тесла, с вторичной обмоткой, подключенной к третьей катушке, не связанной с другими магнитами, называемой «дополнительной» или «резонаторной» катушкой, которая питается последовательно. и резонирует с собственной емкостью.Наличие трех энергоаккумулирующих резервуарные контуры придает этой схеме более сложное резонансное поведение ^[39]. Это предмет исследования, но он использовался в нескольких практических приложениях.

История

Основная статья: История катушки Тесла

Генри Роуленда 1889 г. искровый резонансный трансформатор,^[40] предшественник катушки Тесла.^[41]

Шаги в развитии Тесла трансформатора Тесла около 1891 года. (1) трансформаторы с закрытым сердечником, используемые на низких частотах, (2-7) перестановка обмоток для снижения потерь, (8) удаленный железный сердечник, (9) частичный сердечник, (10- 11) оконечный конический трансформатор Тесла, (12–13) цепи катушки Тесла^[42][43][44] и Элиу Томсон^[41][45][46]

Электрические колебания и резонансные схемы трансформатора с воздушным сердечником были исследованы еще до Теслы.^[47][46] Резонансные схемы с помощью Лейденские банки были изобретены с 1826 г. Феликс Савари, Джозеф Генри, Уильям Томсон, и Оливер Лодж.^[48] и Генри Роуленд построил резонансный трансформатор в 1889 году.^[41] Элиу Томсон независимо изобрел цепь катушки Тесла одновременно с Теслой.^{[49][50][51][40]} Тесла запатентовал свою схему катушки Тесла 25 апреля 1891 года.^[52][2] и впервые публично продемонстрировал это 20 мая 1891 года в своей лекции »Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в методах искусственного освещения" перед Американский институт инженеров-электриков в Колумбийский колледж, Нью-Йорк.^[53][54][44] Хотя Тесла запатентовал много подобных схем в этот период, это была первая, которая содержала все элементы катушки Тесла: первичный трансформатор высокого напряжения, конденсатор, искровой разрядник и «трансформатор колебаний» с воздушным сердечником.

Современные катушки Тесла

Электрический разряд показывая молния -подобно плазма нити из "катушки Тесла"

Катушка Тесла (разряд)

Катушка Тесла в террариуме (I)

Современные энтузиасты высокого напряжения обычно создают катушки Тесла, похожие на некоторые из «более поздних» конструкций Тесла с двумя катушками с воздушным сердечником. Обычно они состоят из основного резервуарный контур, серия LC (индуктивность -емкость ) цепь, состоящая из высоковольтного конденсатор, разрядник и первичная обмотка, а вторичный LC-контур - последовательно-резонансный контур, состоящий из вторичная обмотка плюс клеммная емкость или «максимальная нагрузка». В более продвинутой конструкции Tesla (лупа) добавлена ​​третья катушка. Вторичный LC-контур состоит из плотно связанной вторичной обмотки трансформатора с воздушным сердечником, приводящей в действие нижнюю часть отдельного спирального резонатора третьей катушки. Современные системы с двумя катушками используют одну вторичную катушку. Затем верх вторичной обмотки подключается к клемме верхней нагрузки, которая образует одну «пластину» конденсатор, другая «пластина» - это земля (или "земля "). Первичный LC-контур настроен так, чтобы он резонирует на той же частоте, что и вторичный LC-контур. Первичная и вторичная катушки магнитно связаны, создавая двойной резонансный трансформатор с воздушным сердечником. Раньше катушки Тесла с масляной изоляцией нуждались в больших и длинных изоляторах на высоковольтных выводах, чтобы предотвратить разряд в воздухе. Позже катушки Тесла распространяют свои электрические поля на большие расстояния, чтобы в первую очередь предотвратить высокие электрические напряжения, тем самым позволяя работать на открытом воздухе. В большинстве современных катушек Тесла также используются выходные клеммы в форме тороида. Их часто изготавливают из закрученный металл или гибкий алюминиевый воздуховод. Тороидальная форма помогает контролировать сильное электрическое поле в верхней части вторичной обмотки, направляя искры наружу и от первичной и вторичной обмоток.

Более сложная версия катушки Тесла, которую Тесла назвал «лупой», использует более тесно связанный резонансный трансформатор с воздушным сердечником (или «задающий генератор») и меньшую, удаленно расположенную выходную катушку (называемую «дополнительной катушка "или просто резонатор ), который имеет большое количество витков на относительно небольшой форме катушки. Нижняя часть вторичной обмотки драйвера соединена с массой. Противоположный конец соединен с нижней частью дополнительной катушки через изолированный провод, который иногда называют линией передачи. Поскольку линия передачи работает при относительно высоких РЧ-напряжениях, она обычно изготавливается из металлических трубок диаметром 1 дюйм для уменьшения потерь на коронный разряд. Поскольку третья катушка расположена на некотором расстоянии от драйвера, она не связана с ней магнитным полем. вместо этого напрямую соединен с выходом драйвера с нижней частью третьей катушки, заставляя его "звенеть" до очень высоких напряжений. Комбинация драйвера с двумя катушками и резонатора третьей катушки добавляет системе еще одну степень свободы, что делает настройку значительно более сложной, чем настройка системы с двумя катушками.Переходный отклик для множественных резонансных сетей (из которых лупа Тесла является подмножеством) была решена только недавно.^[55] Теперь известно, что доступны различные полезные «режимы» настройки, и в большинстве рабочих режимов дополнительная катушка будет звонить с частотой, отличной от частоты задающего генератора.^[56]

Первичное переключение

Воспроизвести медиа

Демонстрация прототипа двойной катушки Тесла в Лаборатории молний в Неваде в масштабе 1:12 на Maker Faire 2008

Современное транзистор или же вакуумная труба Катушки Тесла не используют первичный разрядник. Вместо этого транзистор (ы) или вакуумная лампа (ы) обеспечивают функцию переключения или усиления, необходимую для генерации ВЧ-мощности для первичной цепи. Твердотельные катушки Тесла используют самое низкое первичное рабочее напряжение, обычно от 155 до 800 вольт, и управляют первичной обмоткой с помощью одного, полумост, или же полный мост расположение биполярные транзисторы, МОП-транзисторы или же IGBT для переключения первичного тока. Катушки с вакуумными трубками обычно работают с напряжением на пластинах от 1500 до 6000 вольт, в то время как большинство катушек с искровым разрядником работают с первичным напряжением от 6000 до 25000 вольт. Первичная обмотка традиционной транзисторной катушки Тесла намотана только на нижнюю часть вторичной катушки. Эта конфигурация иллюстрирует работу вторичной обмотки как резонатора с накачкой. Первичная обмотка «индуцирует» переменное напряжение в самой нижней части вторичной обмотки, обеспечивая регулярные «толчки» (аналогично тому, как правильно рассчитанные толчки к качелям на игровой площадке). Дополнительная энергия передается от первичной к вторичной индуктивности и емкости верхней нагрузки во время каждого «толчка», и нарастает выходное напряжение вторичной обмотки (называемое «звонком»). Электронный Обратная связь схема обычно используется для адаптивной синхронизации первичного осциллятор к растущему резонансу во вторичной обмотке, и это единственное соображение при настройке, выходящее за рамки первоначального выбора разумной верхней нагрузки.

В двойной резонансной твердотельной катушке Тесла (DRSSTC) электронное переключение твердотельной катушки Тесла объединено с резонансной первичной цепью катушки Тесла с искровым промежутком. Резонансный первичный контур образуется путем подключения конденсатора последовательно с первичной обмоткой катушки, так что комбинация образует последовательный резервуарный контур с резонансной частотой, близкой к резонансной частоте вторичного контура. Из-за дополнительного резонансного контура необходимы одна ручная и одна адаптивная регулировка. Также прерыватель обычно используется для уменьшения рабочий цикл коммутирующего моста для улучшения характеристик пиковой мощности; аналогично IGBT более популярны в этом приложении, чем биполярные транзисторы или MOSFET из-за их превосходных характеристик мощности. Схема ограничения тока обычно используется для ограничения максимального тока первичного резервуара (который должен переключаться с помощью IGBT) до безопасного уровня. Характеристики DRSSTC могут быть сопоставимы с катушкой Тесла с искровым промежутком средней мощности, а эффективность (измеренная по длине искры в зависимости от входной мощности) может быть значительно выше, чем у катушки Тесла с искровым промежутком, работающей при той же входной мощности.

Практические аспекты дизайна

Производство высокого напряжения

Катушка Тесла схемы

Типовая конфигурация схемы. Здесь искровой промежуток закорачивает высокую частоту на первом трансформаторе, питаемом переменным током. Индуктивность (не показана) защищает трансформатор. Такая конструкция предпочтительна при использовании относительно хрупкого трансформатора для неоновой вывески.

Альтернативная конфигурация схемы. Если конденсатор включен параллельно первому трансформатору, а искровой разрядник - последовательно с первичной обмоткой Тесла, трансформатор питания переменного тока должен выдерживать высокие напряжения на высоких частотах.

Большая катушка Тесла более современной конструкции часто работает на очень высоких уровнях пиковой мощности, вплоть до многих мегаватт (миллионов Вт, что эквивалентно сотням тысяч Лошадиные силы ). Поэтому он тщательно настраивается и эксплуатируется не только для повышения эффективности и экономии, но и для обеспечения безопасности. Если из-за неправильной настройки точка максимального напряжения возникает ниже клеммы, вдоль вторичной катушки, происходит разряд (Искра ) может сломаться и повредить или разрушить провод катушки, опоры или близлежащие предметы.

Тесла экспериментировал с этими и многими другими схемами (см. Справа). Первичная обмотка катушки Тесла, искровой разрядник и резервуарный конденсатор соединены последовательно. В каждой цепи трансформатор питания переменного тока заряжает резервуарный конденсатор до тех пор, пока его напряжение не станет достаточным для пробоя искрового промежутка. Разрыв внезапно сгорает, позволяя заряженному конденсатору бака разряжаться в первичную обмотку. Как только зазор загорается, электрическое поведение любой цепи идентично. Эксперименты показали, что ни одна из схем не дает заметного преимущества в производительности по сравнению с другой.

Однако в типичной схеме короткое замыкание искрового промежутка предотвращает «дублирование» высокочастотных колебаний в питающий трансформатор. В альтернативной схеме высокочастотные колебания большой амплитуды, возникающие на конденсаторе, также передаются на обмотку питающего трансформатора. Это может вызвать коронный разряд между витками, которые ослабляют и в конечном итоге разрушают изоляцию трансформатора. Опытные производители катушек Тесла почти исключительно используют верхнюю цепь, часто дополняя ее фильтрами нижних частот (резисторными и конденсаторными (RC) цепями) между питающим трансформатором и искровым разрядником, чтобы защитить питающий трансформатор. Это особенно важно при использовании трансформаторов с хрупкими высоковольтными обмотками, таких как неоновая вывеска трансформаторы (НСТ). Независимо от того, какая конфигурация используется, трансформатор высокого напряжения должен быть такого типа, который самостоятельно ограничивает его вторичный ток с помощью внутренних индуктивность рассеяния. Нормальный (с низкой индуктивностью рассеяния) высоковольтный трансформатор должен использовать внешний ограничитель (иногда называемый балластом) для ограничения тока. NST имеют высокую индуктивность рассеяния, чтобы ограничить ток короткого замыкания до безопасного уровня.

Тюнинг

Резонансная частота первичной катушки настраивается на резонансную частоту вторичной обмотки с помощью маломощных колебаний, а затем увеличения мощности (и перенастройки при необходимости) до тех пор, пока система не будет работать должным образом на максимальной мощности. Во время настройки к верхнему выводу часто добавляют небольшой выступ (называемый «прорывом»), чтобы стимулировать коронный разряд и искровые разряды (иногда называемые стримерами) в окружающий воздух. Затем настройку можно отрегулировать так, чтобы получить самые длинные стримеры при заданном уровне мощности, соответствующем совпадению частот между первичной и вторичной катушками. Емкостная «нагрузка» стримеров снижает резонансную частоту катушки Тесла, работающей на полной мощности. Тороидальная нагрузка часто предпочтительнее других форм, таких как сфера. Тороид с большим диаметром, который намного больше вторичного диаметра, обеспечивает улучшенное формирование электрического поля при максимальной нагрузке. Это обеспечивает лучшую защиту вторичной обмотки (от разрушающих ударов стримеров), чем сфера аналогичного диаметра. Кроме того, тороид позволяет довольно независимо управлять емкостью верхней нагрузки в зависимости от напряжения искрового пробоя. Емкость тороида в основном зависит от его большого диаметра, в то время как напряжение искрового пробоя в основном зависит от его меньшего диаметра. Осциллятор падения сетки (GDO) иногда используется для облегчения начальной настройки и помощи при проектировании. Резонансную частоту вторичной обмотки может быть трудно определить, кроме как с помощью GDO или другого экспериментального метода, тогда как физические свойства первичной обмотки более точно представляют собой сосредоточенные приближения конструкции радиочастотного резервуара. В этой схеме вторичная обмотка построена несколько произвольно, имитируя другие успешные конструкции, или полностью так, при наличии имеющихся расходных материалов, ее резонансная частота измеряется, а первичная обмотка рассчитана на соответствие.

Выбросы воздуха

Небольшая катушка Тесла более позднего типа в действии: на выходе излучаются искры длиной 43 сантиметра (17 дюймов). Диаметр вторичной обмотки составляет 8 см (3,1 дюйма). Источником питания является 10 000 В, 60 Гц ограниченный по току поставлять

В катушках, производящих воздушные разряды, например, в тех, которые созданы для развлечения, электрическая энергия от вторичной обмотки и тороида передается в окружающий воздух в виде электрического заряда, тепла, света и звука. Процесс похож на зарядку или разрядку конденсатор, за исключением того, что в катушке Тесла используется переменный ток вместо постоянного. Ток, возникающий при смещении зарядов внутри конденсатора, называется ток смещения. Разряд катушки Тесла формируется в результате токов смещения, когда импульсы электрического заряда быстро передаются между высоковольтным тороидом и близлежащими областями в воздухе (называемыми космический заряд регионов). Хотя области пространственного заряда вокруг тороида невидимы, они играют важную роль в появлении и расположении разрядов катушки Тесла.

При срабатывании разрядника заряженный конденсатор разряжается в первичной обмотке, вызывая колебания первичной цепи. Колебательный первичный ток создает колеблющееся магнитное поле, которое соединяется с вторичной обмоткой, передавая энергию на вторичную сторону трансформатора и заставляя его колебаться вместе с емкостью тороида относительно земли. Передача энергии происходит в течение нескольких циклов, пока большая часть энергии, которая изначально была на первичной стороне, не будет передана вторичной стороне. Чем больше магнитная связь между обмотками, тем короче время, необходимое для завершения передачи энергии. По мере накопления энергии в колеблющемся вторичном контуре амплитуда ВЧ-напряжения тороида быстро увеличивается, и воздух, окружающий тороид, начинает подвергаться пробой диэлектрика, образуя коронный разряд.

По мере того, как энергия вторичной катушки (и выходное напряжение) продолжает расти, более сильные импульсы тока смещения дополнительно ионизируют и нагревают воздух в точке первоначального пробоя. Это формирует очень электропроводящий «корень» более горячего плазма, называется лидер, которая выступает наружу из тороида. Плазма внутри лидера значительно горячее, чем коронный разряд, и значительно более проводящая. Фактически, его свойства похожи на электрическая дуга. Лидер сужается и разветвляется на тысячи более тонких, холодных, похожих на волосы разрядов (называемых стримерами). Стримеры выглядят как голубоватая «дымка» на концах более ярких лидеров. Стримеры передают заряд между лидерами и тороидом в близлежащие области пространственного заряда. Все токи смещения от бесчисленных стримеров проходят в поводок, помогая поддерживать его в горячем состоянии и поддерживать электрическую проводимость.

Скорость первичного обрыва искрообразующих катушек Тесла мала по сравнению с резонансной частотой узла резонатор-верхняя нагрузка. Когда переключатель замыкается, энергия передается от первичного LC-контура к резонатору, где в течение короткого периода времени нарастает напряжение, достигая высшей точки в электрическом разряде. В катушке Тесла с искровым промежутком процесс передачи энергии из первичной во вторичную происходит периодически с типичной частотой импульсов 50–500 раз в секунду, в зависимости от частоты входного линейного напряжения. При таких скоростях сформированные ранее лидерные каналы не имеют возможности полностью остыть между импульсами. Таким образом, при последовательных импульсах новые разряды могут развиваться по горячим путям, оставленным их предшественниками. Это вызывает постепенный рост лидера от одного импульса к другому, удлиняя весь разряд на каждом последующем импульсе. Повторяющиеся импульсы вызывают рост разрядов до тех пор, пока средняя энергия, доступная от катушки Тесла во время каждого импульса, не уравновесит среднюю энергию, теряемую в разрядах (в основном в виде тепла). На этой точке, динамическое равновесие достигается, и разряды достигли максимальной длины для уровня выходной мощности катушки Тесла. Уникальное сочетание повышающегося высокого напряжения радиочастота Огибающая и повторяющиеся импульсы кажутся идеально подходящими для создания длинных разветвленных разрядов, которые значительно дольше, чем можно было бы ожидать, исходя только из соображений выходного напряжения. Высоковольтные разряды малой энергии создают нитевидные разветвленные разряды пурпурно-синего цвета. Высоковольтные разряды с высокой энергией создают более толстые разряды с меньшим количеством ответвлений, бледные и светящиеся, почти белые и намного длиннее, чем разряды с низкой энергией, из-за повышенной ионизации. В этом районе будет возникать сильный запах озона и оксидов азота. Важными факторами максимальной продолжительности разряда являются напряжение, энергия и неподвижный воздух от низкой до умеренной влажности. Существует сравнительно немного научных исследований, посвященных возникновению и росту импульсных низкочастотных радиочастотных разрядов, поэтому некоторые аспекты воздушных разрядов Тесла не так хорошо изучены по сравнению с постоянным током, переменным током промышленной частоты, высоковольтным импульсом и грозовыми разрядами.

Приложения

Сегодня, хотя небольшие катушки Тесла используются в качестве течеискателей в научных системах высокого вакуума^[9] и воспламенители в дугосварщики,^[57] их основное использование - развлекательные и образовательные дисплеи.

Образование и развлечения

Электрум скульптура, самая большая в мире катушка Тесла. Строитель Эрик Орр сидит внутри полого сферического высоковольтного электрода.

Катушки Тесла отображаются как аттракционы на научные музеи и ярмарки электроники, и используются для демонстрации принципов высокочастотного электричества на уроках естественных наук в школах и колледжах.

Поскольку они достаточно просты в изготовлении любителем, катушки Тесла очень популярны среди студентов. выставка научных достижений проект, и они созданы большим сообществом любителей со всего мира. Конструкторов катушек Тесла в качестве хобби называют «моталки». Они посещают конгрессы по «намотке», где демонстрируют свои самодельные катушки Тесла и другие высоковольтные устройства. Катушки Тесла малой мощности также иногда используются в качестве источника высокого напряжения для Кирлиан фотография.

Самая большая в мире катушка Тесла - это блок мощностью 130 000 ватт, построенный Грегом Лейхом и Эрик Орр, часть скульптуры высотой 38 футов (12 м) под названием Электрум принадлежит Алан Гиббс и в настоящее время проживает в частном парке скульптур на мысе Какануи, недалеко от Окленд, Новая Зеландия.^[58][59] Очень большая катушка Тесла, разработанная и построенная Сидом Клинджем, каждый год демонстрируется на выставке Фестиваль музыки и искусств Coachella Valley, в Коачелла, Индио, Калифорния, США. Остин Ричардс, физик из Калифорнии, создал металл.Костюм Фарадея 'в 1997 году, что защищает его от разряда катушки Тесла. В 1998 году он назвал персонажа в костюме Doctor MegaVolt и выступал по всему миру и на Горящий человек девять разных лет.

Катушки Тесла также могут использоваться для генерации звуков, в том числе музыки, путем модуляции эффективной «скорости прерывания» системы (т. Е. Скорости и продолжительности высокочастотных импульсов высокой мощности) через MIDI данные и блок управления. Фактические данные MIDI интерпретируются микроконтроллером, который преобразует данные MIDI в ШИМ выходной сигнал, который может быть отправлен на катушку Тесла через оптоволоконный интерфейс.^[60][61] В YouTube видео Тема Super Mario Brothers в стерео и гармонии на двух витках показывает характеристики согласованных твердотельных катушек, работающих на частоте 41 кГц. Катушки были построены и эксплуатировались дизайнерами-любителями Джеффом Ларсоном и Стивом Уордом. Устройство было названо Зевсафон, после Зевс, Греческий бог молнии, и как игра слов, относящихся к Сузафон. Идея играть музыку на поющие катушки Тесла летает по всему миру и несколько последователей^[62] Продолжаем работу инициаторов. Обширный музыкальный концерт под открытым небом с использованием катушек Тесла во время Engineering Open House (EOH) в Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн. Исландский художник Бьорк использовала катушку Тесла в своей песне "Thunderbolt" в качестве основного инструмента в песне. Музыкальная группа ArcAttack использует модулированные катушки Тесла и человека в скафандре для воспроизведения музыки.

Детекторы утечки вакуумной системы

Ученые, работающие с системами высокого вакуума, проверяют наличие крошечных отверстий для штифтов в аппарате (особенно в недавно выдутой стеклянной посуде) с помощью высоковольтных разрядов, создаваемых небольшой ручной катушкой Тесла. Когда система откачивается, высоковольтный электрод катушки проходит по внешней стороне устройства. При низком давлении воздух легче ионизируется и поэтому проводит электричество лучше, чем воздух атмосферного давления. Следовательно, разряд проходит через любое отверстие под штифт непосредственно под ним, создавая коронный разряд внутри вакуумированного пространства, который освещает отверстие, указывая на точки, которые необходимо отжечь или перенастроить, прежде чем их можно будет использовать в эксперименте.

Вопросы здравоохранения

Высокое напряжение радиочастота (RF) разряды от выходного терминала катушки Тесла представляют уникальную опасность, которой нет в другом высоковольтном оборудовании: при прохождении через тело они часто не вызывают болезненных ощущений и сокращений мышц. поражение электрическим током, как и токи более низкой частоты переменного или постоянного тока.^{[63][19][64][65]} Нервная система нечувствительна к токам с частотами выше 10-20 кГц.^[66] Считается, что причина этого в том, что определенное минимальное количество ионы необходимо проехать через нервная клетка Мембрана под действием приложенного напряжения запускает деполяризацию нервной клетки и передачу импульса. На радиочастотах в течение полупериода недостаточно времени для достаточного количества ионов, чтобы пересечь мембрану, прежде чем переменное напряжение изменится на противоположное.^[66] Опасность состоит в том, что, поскольку боль не ощущается, экспериментаторы часто предполагают, что токи безвредны. Учителя и любители, демонстрирующие маленькие катушки Тесла, часто производят впечатление на свою аудиторию, дотрагиваясь до высоковольтного вывода или позволяя дугам стримеров проходить через их тело.^[67][68][19]

Попадание дуги от клеммы высокого напряжения на оголенную кожу может вызвать глубокие ожоги, называемые RF ожоги.^[69][70] Этого часто можно избежать, вместо этого позволяя дуге ударяться о кусок металла, который держится в руке, или наперсток на пальце. Ток проходит от металла к руке человека через достаточно широкую поверхность, чтобы избежать ожогов.^[19] Часто не ощущается никаких ощущений, только тепло или покалывание.

Однако это не означает, что ток безвреден.^[71] Даже небольшая катушка Тесла вырабатывает во много раз больше электроэнергии, необходимой для остановки сердца, если частота оказывается достаточно низкой, чтобы вызвать мерцание желудочков.^[72][73] Незначительная неправильная регулировка катушки может привести к поражение электрическим током. Кроме того, радиочастотный ток нагревает ткани, через которые проходит. Токи катушки Тесла, прикладываемые непосредственно к коже с помощью электродов, использовались в начале 20-го века для глубокого нагрева тканей тела в области медицины длинноволновой связи. диатермия.^[64] Степень нагрева зависит от плотности тока, которая зависит от выходной мощности катушки Тесла и площади поперечного сечения пути, по которому ток проходит через тело к земле.^[65] В частности, если он проходит через узкие структуры, такие как кровеносные сосуды или суставы, он может повысить локальную температуру тканей до гипертермический уровней, «варки» внутренних органов или причинения других травм. Международный ICNIRP Стандарты безопасности для радиочастотного тока в организме в диапазоне частот катушки Тесла 0,1 - 1 МГц определяют максимальную плотность тока 0,2 мА на квадратный сантиметр и максимальную скорость поглощения энергии (SAR) в тканях: 4 Вт / кг в конечностях и 0,8 Вт / кг в среднем по всему телу.^[74] Даже катушки Тесла малой мощности могут выйти за эти пределы, и, как правило, невозможно определить пороговый ток, при котором начинается телесное повреждение. Удар дугой от катушки Тесла большой мощности (> 1000 Вт) может быть фатальным.

Еще одна известная опасность этой практики заключается в том, что дуга от клеммы высокого напряжения часто попадает в первичную обмотку катушки.^[63][71] Это на мгновение создает токопроводящий путь для смертельного первичного тока 50/60 Гц от питающего трансформатора, который достигает выходной клеммы. Если человек в это время подключен к выходному разъему, либо прикоснувшись к нему, либо позволив дуге от терминала коснуться тела человека, тогда высокий первичный ток может пройти через проводящий путь ионизированного воздуха через тело к земле, вызывая поражение электрическим током.

Миф о скин-эффекте

Ошибочное объяснение отсутствия электрического шока, которое сохраняется среди любителей катушек Тесла, состоит в том, что высокочастотные токи проходят через тело близко к поверхности и, таким образом, не проникают в жизненно важные органы или нервы из-за электромагнитного явления, называемого скин эффект.^{[72][19][75][76]}

Эта теория неверна.^{[77][78][79][63][73][80]} Радиочастотный ток имеет тенденцию течь по поверхности проводников из-за скин-эффекта, но глубина, на которую он проникает, называется глубина кожи, зависит от удельное сопротивление и проницаемость материала, а также частота.^[81][82] Хотя скин-эффект ограничивает токи частот катушки Тесла внешней долей миллиметра в металлических проводниках, скин-эффект тока в тканях тела намного больше из-за их более высокого удельного сопротивления. Глубина проникновения токов с частотой Тесла (0,1–1 МГц) в ткани человека составляет примерно от 24 до 72 см (от 9 до 28 дюймов).^[82][81][63] Поскольку даже самые глубокие ткани расположены ближе к поверхности, скин-эффект мало влияет на путь тока через тело;^[80] он стремится к минимуму электрический импеданс к земле и может легко проходить через сердцевину корпуса.^[83][63][82] В лечебной терапии называется длинноволновой диатермия Тщательно контролируемый РЧ-ток с частотами Тесла десятилетиями использовался для разогрева глубоких тканей, включая нагревание внутренних органов, таких как легкие.^[83][64] Современные аппараты для коротковолновой диатермии используют более высокую частоту 27 МГц, которая, соответственно, будет иметь меньшую толщину кожи, но эти частоты все еще могут проникать в глубокие ткани тела.^[78]

Связанные патенты

Смотрите также: Список патентов Tesla

Патенты Теслы

• "Электрический трансформатор или индукционное устройство". Патент США № 433702, 5 августа 1890 г.^[13]
• "Средства для генерации электрического тока", Патент США № 514168, 6 февраля 1894 г.
• "Электрический трансформатор", Патент № 593 138, 2 ноября 1897 г.
• "Метод использования лучистой энергии", Патент № 685,958 5 ноября 1901 г.
• "Метод сигнализации", Патент США № 723 188, 17 марта 1903 г.
• "Система сигнализации", Патент США № 725605, 14 апреля 1903 г.
• "Аппарат для передачи электрической энергии", 18 января 1902 г., Патент США 1,119,732, 1 декабря 1914 г. (доступно на Патент США 1,119,732

Другие патенты

• Дж. С. Стоун, Патент США 714 832 , "Аппарат для усиления электромагнитных сигнальных волн.". (Подана 23 января 1901 г .; выдана 2 декабря 1902 г.).
• А. Никль, Патент США 2125804 , "Антенна". (Подана 25 мая 1934 г .; выдана 2 августа 1938 г.).
• Уильям В. Браун, Патент США 2,059,186 , "Структура антенны"(Подана 25 мая 1934 г .; выдана 27 октября 1936 г.).
• Роберт Б. Доум, Патент США 2101674 , "Антенна". (Подана 25 мая 1934 г .; выдана 7 декабря 1937 г.).
• Армстронг, Э. Х., Патент США 1,113,149 , "Беспроводная приемная система". 1914.
• Армстронг, Э. Х., Патент США 1,342,885 , "Метод приема высокочастотных колебаний". 1922.
• Армстронг, Э. Х., Патент США 1,424,065 , "Система сигнализации". 1922.
• Герхард Фрайхерр Дю Прель, Патент США 1,675,882 , "Высокочастотная цепь". (Подана 11 августа 1925 г .; выдана 3 июля 1928 г.).
• Лейдорф, Г. Ф., Патент США 3278937 , "Антенна система связи ближнего поля". 1966.
• Ван Вурхис, Патент США 6218998 , "Тороидальная спиральная антенна"
• Джин Кунсе, Патент США 6,933,819 , "Генератор многочастотного электромагнитного поля". (Подана 29 октября 2004 г .; выдана 23 августа 2005 г.).

Смотрите также

• Клетка Фарадея
• Генри Лерой Транстром, изобретатель и шоумен, работавший с электричеством высокого напряжения.
• Список патентов Tesla
• Катушка Удина, изобретенный в 1893 году Полем Мари Уденом
• Генератор Ван де Граафа
• Беспроводная передача энергии

Рекомендации

1. Ут, Роберт (12 декабря 2000 г.). «Катушка Тесла». Тесла: Мастер молнии. PBS.org. Получено 2008-05-20.
2. Патент США № 454622, Никола Тесла,СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ подано 25 апреля 1891 г .; предоставлено 23 июня 1891 г.
3. Доммермут-Коста, Кэрол (1994). Никола Тесла: искра гения. Книги двадцать первого века. п. 75. ISBN  978-0-8225-4920-8.
4. «Катушка Тесла». Музей электричества и магнетизма, Центр обучения. Веб-сайт Национальной лаборатории сильного магнитного поля, Florida State Univ. 2011 г.. Получено 12 сентября, 2013.
5. «Инструкция и руководство по применению» (PDF). Катушка Тесла модели 10-206. Science First, Serrata, Pty. Веб-сайт образовательного оборудования. 2006. с. 2. Получено 12 сентября, 2013.
6. Чейни, Маргарет (2011). Тесла: Человек вне времени. Саймон и Шустер. п. 87. ISBN  978-1-4516-7486-6.
7. Констебль, Джордж; Боб Сомервилл (2003). Век инноваций: двадцать инженерных достижений, изменивших нашу жизнь. Джозеф Генри Пресс. п. 70. ISBN  978-0-309-08908-1.
8. Смит, Крейг Б. (2008). Молния: Огонь с неба. Dockside Consultants Inc. ISBN  978-0-615-24869-1.
9. Плещ, П. Х. (2005). Методы высокого вакуума для химического синтеза и измерений. Издательство Кембриджского университета. п. 21. ISBN  978-0-521-67547-5.
10. Тилбери, Митч (2007). Окончательное руководство по проектированию и изготовлению катушек Тесла. Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional. п. 1. ISBN  978-0-07-149737-4.
11. Рэмси, Ролла (1937). Экспериментальное радио (4-е изд.). Нью-Йорк: Рэмси Паблишинг. п. 175.
12. Маццотто, Доменико (1906). Беспроводная телеграфия и телефония. Whittaker and Co. стр. 146.
13. Sarkar, T. K .; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А .; и другие. (2006). История беспроводной связи. Джон Вили и сыновья. С. 286, 84. ISBN  978-0-471-78301-5., архив В архиве 2016-05-17 в Португальском веб-архиве
14. "К сожалению, большинство людей сегодня часто заблуждаются, считая, что катушка Тесла - это просто устройство, которое производит впечатляющую демонстрацию искр, возбуждающую публику. Тем не менее, его схема является фундаментальной для всех радиопередач." Белохлавек, Петр; Вагнер, Джон В. (2008). Инновации: уроки Николы Теслы. Группа Голубого Орла. п. 110. ISBN  978-9876510097.
15. Цветич, Йован М. (октябрь 2016 г.). «Генераторы высокого напряжения и высокой частоты Теслы с колебательными контурами» (PDF). Сербский журнал электротехники. Vol. 13, № 3: 301–333.
16. Стоканич, Валерин (3 июня 2014 г.). «Катушка Тесла - электрический резонансный трансформатор» (PDF). Университет Граца. Получено 16 сентября 2020.
17. Haddad, A .; Варн, Д.Ф. (2004). Достижения в области техники высокого напряжения. ИЭПП. п. 605. ISBN  978-0852961582.
18. Naidu, M. S .; Камараджу, В. (2013). Техника высокого напряжения. Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 167. ISBN  978-1259062896.
19. Спротт, Жюльен С. (2006). Демонстрации физики: Справочник для учителей физики. Univ. из Wisconsin Press. С. 192–195. ISBN  978-0299215804.
20. Андерсон, Бартон Б. (24 ноября 2000 г.). "Классическая катушка Тесла: резонансный трансформатор с двойной настройкой" (PDF). Катушки Тесла. Терри Блейк, 3-я веб-страница. Получено 26 июля, 2015.
21. Дениколай, Марко (30 мая 2001 г.). «Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований» (PDF). Диссертация на соискание ученой степени. Департамент электротехники и связи, Хельсинкский университет. of Technology, Хельсинки, Финляндия: 2–6. Получено 26 июля, 2015.
22. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, Ch.2, pp. 8–10
23. Герекос, Кристофер (2012). "Катушка Тесла" (PDF). Тезис. Физический факультет, Université Libre de Bruxelles, Брюссель, Бельгия: 20–22. Архивировано из оригинал (PDF) 1 октября 2015 г.. Получено 27 июля, 2015. , перепечатано на Катушка Зевса Тесла, HazardousPhysics.com
24. Готлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформатору: для инженеров электроники, радио и связи. Newnes. С. 103–114. ISBN  978-0080514567.
25. Бернетт, Ричи (2008). «Работа катушки Тесла». Веб-страница Richie's Tesla Coil. Частный сайт Ричарда Бернетта. Получено 24 июля, 2015.
26. Бернетт, Ричи (2008). «Коэффициент связи». Веб-страница Richie's Tesla Coil. Частный сайт Ричарда Бернетта. Получено 4 апреля, 2017.
27. Бернетт, Ричи (2008). "Компоненты катушки Тесла, стр. 2". Веб-страница Richie's Tesla Coil. Частный сайт Ричарда Бернетта. Получено 24 июля, 2015.
28. Герекос, 2012, Катушка Тесла, стр. 38–42 В архиве 23 июня 2007 г. Wayback Machine
29. Герекос, 2012, Катушка Тесла, стр. 15–18 В архиве 23 июня 2007 г. Wayback Machine
30. Герекос, 2012, Катушка Тесла, стр. 19–20 В архиве 23 июня 2007 г. Wayback Machine
31. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, Гл.3, п. 3–5, с. 22
32. «Катушки Тесла - часто задаваемые вопросы». сайт oneTesla. oneTesla Co., Кембридж, Массачусетс. 2012 г.. Получено 2 августа, 2015.
33. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, Ch.2, pp. 11–17
34. Герекос, 2012, Катушка Тесла, стр.1, 23 В архиве 23 июня 2007 г. Wayback Machine
35. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, Гл. 2, стр. 10
36. Патент США № 1119732, Никола Тесла. Аппарат для передачи электрической энергии подано 18 января 1902 г .; пожалован 1 декабря 1914 г.
37. Саркар и др. (2006) История беспроводной связи, стр. 279–280, архив В архиве 2016-05-17 в Португальском веб-архиве
38. Рид, Джон Рэндольф (2000). «Разработка трансформаторов Тесла с тройным резонансом и высоким коэффициентом усиления» (PDF). Кафедра инженерии и информатики, Univ. Центральной Флориды. Получено 2 августа, 2015.
39. de Queiroz, A.C.M. (Февраль 2002 г.). «Множественные резонансные сети». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 49 (2): 240–244. Дои:10.1109/81.983871.
40. Томсон, Элиу (3 ноября 1899 г.). «Аппарат для получения высоких частот и давлений». Электрик. Лондон: Издательство The Electrician Publishing Co. 44 (2): 40–41. Получено 1 мая, 2015.
41. Сильный, Фредерик Финч (1908). Высокочастотные токи. Нью-Йорк: Rebman Co., стр. 41–42.
42. Тесла, Никола (29 марта 1899 г.). «Некоторые эксперименты в лаборатории Теслы с токами высоких частот и давлений». Электрический обзор. Нью-Йорк: Electrical Review Publishing Co. 34 (13): 193–197. Получено 30 ноября, 2015.
43. Уиллер, Л. П. (август 1943 г.). «Вклад Теслы в высокие частоты». Электротехника. IEEE. 62 (8): 355–357. Дои:10.1109 / EE.1943.6435874. ISSN  0095-9197. S2CID  51671246.
44. Sarkar, T. K .; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А .; и другие. (2006). История беспроводной связи (PDF). Джон Уайли и сыновья. С. 268–270. ISBN  978-0471783015. Архивировано из оригинал на 2016-05-17.
45. Пирс, Джордж Вашингтон (1910). Принципы беспроводной телеграфии. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co., стр. 93–95.
46. Флеминг, Джон Эмброуз (1910). Принципы электрической телеграфии и телефонии, 2-е изд.. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 581–582.
47. «Трансформер». Британская энциклопедия, 10-е изд.. 33. Энциклопедия Британника Ко. 1903. стр. 426. Получено 1 мая, 2015.
48. Бланшар, Джулиан (октябрь 1941 г.). «История электрического резонанса». Технический журнал Bell System. США: American Telephone & Telegraph Co. 20 (4): 415–433. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1941.tb03608.x. S2CID  51669988. Получено 2011-03-29.
49. Томсон, Элиу (20 февраля 1892 г.). «Индукция высокопотенциальными разрядами». Электрический мир. Нью-Йорк: W. J. Johnson Co. 19 (8): 116–117. Получено Двадцать первое ноября, 2015.
50. Томсон, Элиу (апрель 1893 г.). «Высокочастотная электрическая индукция». Technology Quarterly и Proceedings of Society of Arts. Бостон: Массачусетский институт. технологии. 6 (1): 50–59. Получено 22 ноября, 2015.
51. Томсон, Элиу (23 июля 1906 г.). "Письмо Фредерику Финчу Стронгу". Сайт музея электротерапии. Джефф Бехари, Беллингем, Вашингтон, США. Воспроизведено с разрешения Американского философского общества.. Получено 20 августа, 2015.
52. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, Ch.1, pp. 1–6
53. Мартин, Томас Каммерфорд (1894). Изобретения, исследования и сочинения Николы Теслы: со специальной ссылкой на его работу в области многофазных токов и высокого потенциала освещения, 2-е изд.. Инженер-электрик. С. 145–197.
54. Тесла, Никола (2007). Казначейство Николы Теслы. Wilder Publications. С. 68–107. ISBN  978-1934451892.
55. де Кейруш, Антонио Карлос М. "Обобщенные многоканальные сети LC-резонанса". Международный симпозиум по схемам и системам. IEEE. 3: 519–522.
56. де Кейруш, Антонио Карлос М. «Разработка лупы Тесла». Получено 12 апреля, 2015.
57. Готлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформатору. Newnes. п. 551. ISBN  978-0080514567.
58. Голдсмит, Пол (2010). Серьезное развлечение: жизнь и времена Алана Гиббса. Penguin Random House. п. 219. ISBN  9781869799304.
59. "Lightning On Demand, Брисбен, Калифорния". Проект Электрум. Архивировано из оригинал 27 июля 2011 г.
60. "Интервью с ArcAttack". Странные инструменты. Архивировано из оригинал на 2008-09-07.
61. "Duckon 2007 - видео Стива Уорда" Singing Tesla Coil ". Архивировано из оригинал 23 июня 2007 г.
62. Музыкальная группа Tesla
63. Клюге, Стефан (2009). "Страница безопасности". Страницы катушки Тесла Стефана. Персональный сайт Стефана Клюге. Получено 6 сентября, 2017.
64. Ковач (1945) Электротерапия и светотерапия, 5-е изд., стр. 205–206
65. Миени, К. Дж. (2003). Принципы хирургического ухода за пациентами (2-е изд.). Новые книги Африки. п. 136. ISBN  9781869280055.
66. Калси, Аман; Балани, Нихаил (2016). Физика для анестетика Viva. Cambridge Univ. Нажмите. С. 45–46. ISBN  978-1107498334.
67. Кертис, Томас Стэнли (1916). Высокочастотный аппарат: его конструкция и практическое применение. США: Компания Everyday Mechanics. п. 6.
68. Маршалл, Том (7 мая 2015 г.). «Учитель естественных наук арестован после того, как якобы использовал катушку Тесла, чтобы« заклеймить »учеников, обжигая кожу». Вечерний стандарт. Лондон, Великобритания: Evening Standard Ltd. Получено 23 сентября 2017.
69. Клипштейн, Дон (2005). «Опасности катушки Тесла и безопасность». Страница катушки Тесла Дона. Персональный сайт Дона Клипштейна. Получено 15 сентября, 2017.
70. Джонс, Грэм А .; Layer, Дэвид Х .; Осенковский, Томас Г. (2013). Техническое руководство Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд.. Тейлор и Фрэнсис. п. 357. ISBN  978-1136034091.
71. Аткинсон, Чип; Филлипс, Эд; Rzeszotarski, Mark S .; Стивенс Р.В. (4 августа 1996 г.). «Информация о безопасности катушки Тесла». Классическая Тесла. Персональный сайт Барта Андерсона. Получено 13 сентября, 2017.
72. Тилбери, Митч (2007) Окончательное руководство по проектированию и изготовлению катушек Тесла, п. 4
73. Купер, У. Фордхэм (2013). Электробезопасность, 3-е изд.. Баттерворт-Хайнеманн. п. 57. ISBN  978-1483161495.
74. Николецей, Сотирис; Ян, Юаньюань; Георгиадис, Апостолос (2016). Алгоритмы, технологии и приложения беспроводной передачи энергии в специальных коммуникационных сетях. Springer. С. 166–167. ISBN  978-3319468105.
75. Робберсон, Эльберт (август 1954 г.). «Как построить катушку Тесла». Популярная наука. Нью-Йорк: The Popular Science Publishing Co. 165 (2): 192.
76. Сарвате, В. В. (1993). Электромагнитные поля и волны. New Age International, Ltd. стр. 305. ISBN  978-8122404685.
77. Сабертон, Клод (1920). Диатермия в лечебно-хирургической практике. P. B. Hoeber Co., стр. 23–24.
78. Битти, Уильям Дж. (2012). «Кожный эффект защищает нас от разрывов катушки Тесла?». Разоблачение некоторых мифов о Tesla. Веб-страница любителя науки. Получено 15 сентября, 2017.
79. Сильный, Фредерик Финч (1908) Высокочастотные токи, стр. 222–223
80. "Очевидно, что скин-эффект становится значительным для человека ... на частотах выше 10 МГц."Barnes, Frank S .; Гринебаум, Бен (2006). Биологические и медицинские аспекты электромагнитных полей. CRC Press. стр. xix. ISBN  978-1420009460.
81. Старейшина, Джо Аллен; Кэхилл, Дэниел Ф. (1984). Биологические эффекты радиочастотного излучения. Агентство по охране окружающей среды США. С. 3.15–3.16.
82. Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет. Академическая пресса. п. 620. ISBN  978-0-08-050521-3.
83. Кристи, Р. В .; Бингер, Кэл (октябрь 1927 г.). «Экспериментальное исследование диатермии: IV. Доказательства проникновения высокочастотных токов через живое тело». Журнал экспериментальной медицины. 46 (5): 715–734. Дои:10.1084 / jem.46.5.715. ЧВК  2131316. PMID  19869368.

дальнейшее чтение

Работа и другая информация

• Армагнат, Х., Кеньон, О.А. (1908). Теория, конструкция и конструкция индукционных катушек. Нью-Йорк: Макгроу.
• Халлер, Г. Ф., и Каннингем, Э. Т. (1910). Катушка высокой частоты Тесла, ее конструкция и применение. Нью-Йорк: D. Van Nostrand Co.
• Яннини, Р. Э. (2003). Электронные гаджеты для злого гения: 21 проект своими руками. ТАБ Электроника. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. Страницы 137–202.
• Corum, Кеннет Л. и Джеймс Ф. "Катушки Тесла и несостоятельность теории цепей с сосредоточенными элементами "
• Николсон, Пол "Проект вторичного моделирования Tesla "(Текущее состояние дел в строгом описании вторичного поведения катушки Тесла посредством теоретического анализа, моделирования и тестирования результатов на практике)
• Вуйович, Любо "Катушка Тесла "Мемориальное общество Теслы в Нью-Йорке".
• Хикман, Берт "Информационный центр катушки Тесла "
• Купер, Джон. F., "Увеличительный передатчик принципиальная схема раннего типа; Принципиальная схема более позднего типа ". Tesla-Coil.com

Электрический мир

• "Разработка высокочастотных токов для практического применения"., Электрический мир, Том 32, № 8.
• "Безграничное пространство: автобусная линия". Электрический мир, Том 32, № 19.

Прочие публикации

• Cullen, A. L .; Добсон, Дж. (1963). «Коронный пробой антенн в воздухе при низких давлениях». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки. 271 (1347): 551–564. Bibcode:1963RSPSA.271..551C. Дои:10.1098 / rspa.1963.0035. S2CID  109593995.
• Биениосек, Ф. М. (1990). "Схема импульсного трансформатора тройного резонанса". Обзор научных инструментов. 61 (6): 1717–1719. Bibcode:1990RScI ... 61.1717B. Дои:10.1063/1.1141138.
• Corum, J. F., and K. L. Corum "ВЧ-катушки, спиральные резонаторы и увеличение напряжения когерентными пространственными модами". IEEE, 2001.
• де Кейруш, Антонио Карлос М. "Синтез множественных резонансных сетей". Федеральный университет Рио-де-Жанейро, Бразилия. EE / COPE.
• Халлер, Джордж Фрэнсис и Элмер Тилинг Каннингем "Катушка высокой частоты Тесла, ее конструкция и применение". Нью-Йорк, компания Д. Ван Ностранда, 1910 г."
• Хартли, Р. В. Л. (1936). «Колебания с нелинейными реактивными сопротивлениями». Технический журнал Bell System. 15 (3): 424–440. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1936.tb03559.x.
• Норри, Х.С. "Индукционные катушки: как их делать, использовать и ремонтировать". Норман Х. Шнайдер, 1907, Нью-Йорк. 4-е издание.
• Рид, Дж. Л. (1988). «Большее усиление напряжения для ускорителей трансформаторов Тесла». Обзор научных инструментов. 59 (10): 2300. Bibcode:1988RScI ... 59.2300R. Дои:10.1063/1.1139953.
• Рид, Дж. Л. (2012). «Демпфирование трансформатора Тесла». Обзор научных инструментов. 83 (7): 076101–076101–3. Bibcode:2012RScI ... 83g6101R. Дои:10.1063/1.4732811. PMID  22852736.
• Рид, Дж. Л. (2015). «Трансформатор Тесла с проводящей связью». Обзор научных инструментов. 86 (3): 035113. Bibcode:2015RScI ... 86c5113R. Дои:10.1063/1.4915940. PMID  25832281.
• Рид, Дж. Л., "Настройка импульсного трансформатора Тесла с тройным резонансом", Google Docs, https://drive.google.com/file/d/0B7PZG_uOiTWwUHVTX05DR2NpeDQ/view?usp=sharing
• Кертис, Томас Стэнли, Высокочастотный аппарат: его конструкция и практическое применение. Everyday Mechanics Co., 1916 год.
• многочисленные академические публикации IEEE [1]

внешняя ссылка

• Катушка Тесла в Керли