TESLINA ZAVOJNICA: POVIJEST, KAKO FUNKCIONIRA, ČEMU SLUŽI - FIZIČKA - 2024

Tesla Coil je navijanje koji funkcionira kao visokog napona, visoke frekvencije generatora. Izumio ga je fizičar Nikola Tesla (1856. - 1943.), koji ga je patentirao 1891. godine.

Magnetska indukcija natjerala je Teslu da razmišlja o mogućnosti prijenosa električne energije bez intervencije vodiča. Stoga je ideja znanstvenika i izumitelja bila stvoriti uređaj koji će služiti za prijenos električne energije bez upotrebe kablova. Međutim, upotreba ovog stroja vrlo je neučinkovita, pa je ubrzo u tu svrhu napuštena.

Slika 1. Demonstracija s Tesla zavojnicom. Izvor: Pixabay.

Unatoč tome, Tesline zavojnice još uvijek se mogu naći s nekim specifičnim primjenama, poput stubova ili u eksperimentima s fizikom.

Povijest

Zavojnicu je stvorio Tesla nedugo nakon što su Hertzovi eksperimenti izašli na vidjelo. Sam Tesla nazvao ga je "uređajem za prijenos električne energije". Tesla je želio dokazati da se električna energija može prenositi bez žica.

U svojoj laboratoriji u Colorado Springsu Tesla je imao na raspolaganju ogroman 16-metarski svitak pričvršćen na antenu. Uređaj je korišten za provođenje pokusa prijenosa energije.

Eksperimentirajte s Teslinim zavojnicama.

Jednom prilikom dogodila se nesreća uzrokovana ovom zavojnicom u kojoj su izgorjeli dinamovi iz elektrane udaljene 10 kilometara. Kao rezultat neuspjeha, oko namota dinamota nastali su električni lukovi.

Ništa od toga nije obeshrabrilo Teslu, koji je nastavio eksperimentirati s brojnim dizajnom zavojnica, koji su sada poznati po njegovom imenu.

Kako radi?

Poznata Teslina zavojnica jedan je od mnogih dizajna koje je Nikola Tesla napravio kako bi mogao prenijeti struju bez žica. Originalne verzije bile su velike veličine i koristile su izvore visokog napona i visokih struja.

Naravno da danas postoje mnogo manji, kompaktni i domaći dizajni koje ćemo opisati i objasniti u sljedećem odjeljku.

Slika 2. Shema osnovne Tesla zavojnice. Izvor: self made.

Dizajn zasnovan na originalnim verzijama Tesline zavojnice je onaj prikazan na gornjoj slici. Električni dijagram na prethodnoj slici može se podijeliti u tri odjeljka.

Izvor (F)

Izvor se sastoji od generatora izmjenične struje i transformatora visokog pojačanja. Izlazni izvor obično iznosi između 10 000 V i 30 000 V.

Prvi LC 1 rezonantni krug

Sastoji se od prekidača S poznatog kao "Spark Gap" ili "Explosor", koji zatvara krug kada iskra skače između njegovih krajeva. LC krug 1 također ima kondenzator C1 i zavojnicu L1 spojenu u seriju.

Drugi rezonantni krug LC 2

LC sklop 2 sastoji se od zavojnice L2 s omjerom okreta od oko 100 do 1 u odnosu na zavojnicu L1 i kondenzatora C2. Kondenzator C2 povezuje se s zavojnicom L2 kroz zemlju.

Zavojnica L2 obično je žičana namotana izolacijskom emajlom na cijevi neprovodnog materijala poput keramike, stakla ili plastike. Zavojnica L1, iako na dijagramu nije prikazana ovako, namotana je na zavojnicu L2.

Kondenzator C2, kao i svi kondenzatori, sastoji se od dvije metalne ploče. U Teslinim zavojnicama jedna od ploča C2 obično je u obliku sferne ili toroidne kupole i serijski je povezana s zavojnicom L2.

Druga ploča C2 je okruženje u blizini, na primjer metalni pijedestal završen u sferi i spojen na zemlju kako bi zatvorio krug s drugim krajem L2, također povezanim s tlom.

Mehanizam djelovanja

Kada je uključen Teslin namot, izvor visokog napona puni kondenzator C1. Kad se postigne dovoljno visok napon, izvršava se iskočni skok u prekidaču S (iskrišni razmak ili eksplozor), zatvarajući rezonantni krug I.

Tada se kondenzator C1 ispušta kroz zavojnicu L1 stvarajući promjenjivo magnetsko polje. Ovo promjenjivo magnetsko polje također prolazi kroz zavojnicu L2 i inducira elektromotornu silu na zavojnicu L2.

Budući da je L2 otprilike 100 okretaja duži od L1, električni napon preko L2 je 100 puta veći od onog preko L1. A budući da je u L1 napon reda od 10 000 volti, tada će u L2 biti 1 milijun volti.

Magnetska energija akumulirana u L2 prenosi se kao električna energija u kondenzator C2, koji kada dosegne maksimalne vrijednosti napona u iznosu od milijun volti ionizira zrak, stvara iskru i naglo se ispušta kroz zemlju. Pražnjenja se događaju između 100 i 150 puta u sekundi.

LC1 krug naziva se rezonantnim jer akumulirana energija u kondenzatoru C1 prelazi u zavojnicu L1 i obrnuto; odnosno dolazi do oscilacije.

Isto se događa i u rezonantnom krugu LC2, u kojem se magnetska energija zavojnice L2 prenosi kao električna energija na kondenzator C2 i obrnuto. Odnosno, u krugu se proizvodi naizmjenično struja.

Prirodna frekvencija oscilacija u LC krugu je

Rezonanca i međusobna indukcija

Kad se energija koja se dovodi u LC krugove događa jednakom frekvencijom kao i prirodna frekvencija oscilacije kruga, tada je prijenos energije optimalan, stvarajući maksimalno pojačanje u struji kruga. Ovaj fenomen zajednički svim oscilirajućim sustavima poznat je kao rezonanca.

LC1 i LC2 sklopovi su magnetski spojeni, još jedan fenomen koji se naziva međusobna indukcija.

Da bi prijenos energije iz kruga LC1 u LC2 bio i optimalan, frekvencije prirodnih oscilacija oba kruga moraju odgovarati, a također bi trebale odgovarati frekvenciji izvora visokog napona.

To se postiže podešavanjem vrijednosti kapacitivnosti i induktivnosti u oba kruga, tako da se frekvencije oscilacije podudaraju s izvornom frekvencijom:

Kad se to dogodi, snaga iz izvora učinkovito se prenosi u krug LC1 i iz LC1 u LC2. U svakom ciklusu oscilacija povećava se električna i magnetska energija akumulirana u svakom krugu.

Kad je električni napon preko C2 dovoljno visok, tada se energija oslobađa u obliku munje ispuštanjem C2 u zemlju.

Tesla zavojnica koristi

Teslina originalna ideja u njegovim eksperimentima s tim zavojnicama uvijek je bila pronaći način prijenosa električne energije na velike udaljenosti bez ožičenja.

Međutim, niska učinkovitost ove metode zbog gubitaka energije disperzijom kroz okoliš zahtijevalo je traženje drugih načina prijenosa električne energije. Danas se ožičenje još uvijek koristi.

Plazma lampica, koja je pomogla razvijati Teslin eksperiment.

Međutim, mnoge izvorne ideje Nikole Tesle i danas su prisutne u žičnim prijenosnim sustavima. Na primjer, Tesla je osmislio povećane transformatore u električnim podstanicama za prijenos preko kabela s manje gubitaka i padajuće transformatore za distribuciju u kućama.

Iako nemaju veliku upotrebu, Tesla zavojnice i dalje su korisne u visokonaponskoj električnoj industriji za testiranje izolacijskih sustava, kula i drugih električnih uređaja koji moraju sigurno funkcionirati. Također se koriste u raznim emisijama za stvaranje munje i iskre, kao i u nekim fizičkim eksperimentima.

Važno je poduzeti sigurnosne mjere u eksperimentima s visokim naponom s velikim Teslinim zavojnicama. Primjer je upotreba Faradayjevih kaveza za zaštitu promatrača i metalnih mrežastih odijela za izvođače koji sudjeluju u revijama s tim bubnjama.

Kako napraviti domaću Tesla zavojnicu?

komponente

U ovoj minijaturnoj verziji zavojnice Tesla neće se koristiti izvor visokog napona. Suprotno tome, izvor napajanja bit će 9 V baterija, kao što je prikazano na dijagramu na slici 3.

Slika 3. Shema za izgradnju mini Tesla zavojnice. Izvor: self made.

Druga razlika od originalne Tesline verzije je uporaba tranzistora. U našem slučaju to će biti 2222A, tranzistor niskog signala, ali s brzim odzivom ili visokom frekvencijom.

Krug također ima sklopku S, primarnu zavojnicu L1 s 3 okretaja i sekundarnu zavojnicu L2 od 275 okretaja minimalno, ali može biti i između 300 i 400 okretaja.

Primarni svitak može se graditi običnom žicom s plastičnom izolacijom, ali za sekundarni svitak potrebna je tanka žica prekrivena izolacijskim lakom, koja se obično koristi u namotima. Namotavanje se može obaviti na kartonskoj ili plastičnoj cijevi promjera 3 do 4 cm.

Pomoću tranzistora

Treba imati na umu da u vrijeme Nikole Tesle nije bilo tranzistora. U tom slučaju tranzistor zamjenjuje "varnicu" ili "eksplozor" izvorne verzije. Tranzistor će se koristiti kao vrata koja dopuštaju ili ne prolaze struju. Za to je tranzistor polariziran kako slijedi: kolektor c na pozitivni terminal i emiter e na negativni terminal akumulatora.

Kad baza b ima pozitivnu polarizaciju, tada omogućuje prolazak struje iz kolektora u emiter i na neki drugi način to sprečava.

U našoj shemi baza je spojena na pozitivnu bateriju, ali je umetnut otpornik od 22 kilograma ohma, da se ograniči višak struje koja može izgorjeti tranzistor.

Krug također pokazuje LED diodu koja može biti crvene boje. Njegova će funkcija biti objašnjena kasnije.

Na slobodnom kraju sekundarne zavojnice L2 postavlja se mala metalna kugla koja se može načiniti prekrivanjem polistirenske kugle ili pin-pong kuglice aluminijskom folijom.

Ova sfera je ploča kondenzatora C, a druga ploča je okolina. To je ono što je poznato kao parazitski kapacitet.

Kako djeluje mini Tesla zavojnica

Kad je prekidač S zatvoren, baza tranzistora je pozitivno pristrana, a gornji kraj primarne zavojnice je također pozitivno pristran. Tako se naglo pojavljuje struja koja prolazi kroz primarni svitak, nastavlja se kroz kolektor, napušta emitir i vraća se u bateriju.

Ta struja raste od nule do maksimalne vrijednosti u vrlo kratkom vremenu, zbog čega u sekundarnoj zavojnici inducira elektromotornu silu. Tako nastaje struja koja ide od dna zavojnice L2 do osnovice tranzistora. Ova struja naglo prekida pozitivnu polarizaciju baze tako da struja struje kroz primarni prekida.

U nekim se verzijama LED dioda uklanja i krug radi. Međutim, njegovo postavljanje poboljšava učinkovitost u rezanju pristranosti baze tranzistora.

Što se događa kada kruži struja?

Tijekom ciklusa brzog porasta struje u primarnom krugu, inducirana je elektromotorna sila u sekundarnom svitku. Kako je omjer zavoja između primarnog i sekundarnog 3 do 275, slobodni kraj zavojnice L2 ima napon od 825 V u odnosu na zemlju.

Zbog gore navedenog stvara se intenzivno električno polje u sferi kondenzatora C sposobno ionizirati plin pri niskom tlaku u neonskoj cijevi ili fluorescentnoj svjetiljki koji se približava sferi C i ubrzava slobodne elektrone u cijevi. kao da pobuđuju atome koji proizvode emisiju svjetlosti.

Kako je struja naglo prestala kroz zavojnicu L1, a zavojnica L2 se ispuštala kroz zrak koji okružuje C prema zemlji, ciklus se ponovo pokreće.

Važna točka ove vrste kruga je da se sve dogodi u vrlo kratkom vremenu, tako da imate visokofrekventni oscilator. U ovoj vrsti kruga lepršanje ili brze oscilacije koje proizvodi tranzistor važniji su od fenomena rezonancije opisanog u prethodnom odjeljku i odnosi se na izvornu verziju Tesline zavojnice.

Predloženi eksperimenti s mini Tesla zavojnicama

Jednom kada je Tesla mini zavojnica izgrađena, moguće je eksperimentirati s njom. Očito je da se neće stvarati munje i iskre originalnih verzija.

Međutim, uz pomoć fluorescentne žarulje ili neonske cijevi, možemo promatrati kako kombinirani učinak intenzivnog električnog polja generiranog u kondenzatoru na kraju zavojnice i visoke frekvencije oscilacija tog polja čine lampu svjetlo samo približavajući se sferi kondenzatora.

Snažno električno polje ionizira plin niskog tlaka unutar cijevi, ostavljajući slobodne elektrone unutar plina. Dakle, visoka frekvencija kruga uzrokuje da slobodni elektroni u fluorescentnoj cijevi ubrzavaju i pobuđuju fluorescentni prah koji se pridržava unutarnje stijenke cijevi, uzrokujući tako da emitira svjetlost.

Svjetlosni LED možete također približiti sferi C, promatrajući kako svijetli, čak i ako LED pinovi nisu spojeni.

Reference

1. Blake, T. Tesla teorija svitka. Oporavak od: tb3.com.
2. Burnett, R. Rad Teslina zavojnice. Oporavak od: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmovi i primjene. 7. izdanje. MacGraw Hill. 626-628.
4. Sveučilište Wisconsin u Madisonu. Zavojnica Tesla. Oporavilo od: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Zavojnica Tesla. Oporavilo od: wikiwand.com.