TESLA-KELA: HISTORIA, MITEN SE TOIMII, MIHIN SE ON - FYYSINEN - 2026

Tesla kela on käämi, joka toimii korkean jännitteen, korkean taajuuden generaattori. Sen keksi fyysikko Nikola Tesla (1856 - 1943), joka patentoi sen vuonna 1891.

Magneettinen induktio sai Teslan miettimään mahdollisuutta siirtää sähköenergiaa ilman johtimien väliintuloa. Siksi tutkijan ja keksijän idea oli luoda laite, joka toimisi sähkön siirtoon ilman kaapeleita. Tämän koneen käyttö on kuitenkin erittäin tehotonta, joten se lopulta hylättiin pian tätä tarkoitusta varten.

Kuva 1. Esittely Tesla-kelalla. Lähde: Pixabay.

Silti Tesla-kelaja voi silti löytää joillakin erityisillä sovelluksilla, kuten pylväissä tai fysiikan kokeissa.

Historia

Tesla loi kelan pian Hertzin kokeilun tultua ilmi. Tesla itse kutsui sitä "sähköenergian siirtolaitteeksi". Tesla halusi todistaa, että sähköä voidaan siirtää ilman johtoja.

Teslalla oli Colorado Springs -laboratoriossaan käytettävissään valtava 16-metrinen kela, joka oli kiinnitetty antenniin. Laitetta käytettiin energiansiirtokokeiden suorittamiseen.

Kokeile Tesla-käämejä.

Yhdessä tapauksessa tämän kelan aiheutti onnettomuus, jossa poltettiin 10 kilometrin päässä sijaitsevan voimalaitoksen dynosit. Vian seurauksena dynaamisten käämien ympärille muodostui sähkökaaria.

Mikään niistä ei lannistanut Teslaa, joka jatkoi kokeilua lukuisilla kelamalleilla, jotka tunnetaan nyt hänen nimellään.

Kuinka se toimii?

Kuuluisa Tesla-kela on yksi monista malleista, jotka Nikola Tesla on tehnyt siirtääkseen sähköä ilman johtoja. Alkuperäiset versiot olivat kooltaan suuria ja niissä käytettiin korkeajännite- ja suurvirtalähteitä.

Tietysti tänään on olemassa paljon pienempiä, kompakteja ja kotitekoisia malleja, jotka kuvaamme ja selitämme seuraavassa osassa.

Kuva 2. Kaavio Tesla-peruskelasta. Lähde: itse tehty.

Tesla-kelan alkuperäisiin versioihin perustuva malli on esitetty yllä olevassa kuvassa. Edellisen kuvan sähkökaavio voidaan jakaa kolmeen osaan.

Lähde (F)

Lähde koostuu vaihtovirtageneraattorista ja suuren vahvistuksen omaavasta muuntajasta. Lähteen lähtö on tyypillisesti välillä 10 000 V - 30 000 V.

Ensimmäinen LC 1 -resonanssipiiri

Se koostuu kytkimestä S, joka tunnetaan nimellä "Spark Gap" tai "Explosor" ja joka sulkee piirin kun kipinä kippaa sen päiden välillä. LC-piirissä 1 on myös sarjaan kytketty kondensaattori C1 ja kela L1.

Toinen resonanssipiiri LC 2

LC-piiri 2 koostuu kelasta L2, jonka kääntösuhde on noin 100: 1 suhteessa kelaan LI ja kondensaattoriin C2. Kondensaattori C2 kytkeytyy kelaan L2 maanpinnan kautta.

L2-kela on yleensä lanka, joka on kääritty eristävän emalin kanssa johtamattomasta materiaalista, kuten keraamisesta, lasista tai muovisesta putkesta. Kela L1, vaikka sitä ei esitetä näin kaaviossa, on kelattu kelaan L2.

Kondensaattori C2, kuten kaikki kondensaattorit, koostuu kahdesta metallilevystä. Tesla-käämeissä yksi C2-levyistä on yleensä pallomaisen tai toroidisen kuvun muotoinen ja kytketty sarjaan L2-kelan kanssa.

C2: n toinen levy on lähellä oleva ympäristö, esimerkiksi palloksi valmistettu metallinen alusta, joka on kytketty maahan sulkemaan piiri L2: n toisen pään kanssa, joka on myös kytketty maahan.

Toimintamekanismi

Kun Tesla-kela kytketään päälle, korkeajännitelähde lataa kondensaattorin C1. Kun tämä saavuttaa riittävän korkean jännitteen, se tekee kipinähyppyä kytkimessä S (kipinärako tai räjähdysaine) sulkemalla resonanssipiirin I.

Sitten kondensaattori C1 purkautuu kelan L1 läpi muodostaen muuttuvan magneettikentän. Tämä muuttuva magneettikenttä kulkee myös kelan L2 läpi ja indusoi sähkömoottorivoiman kelaan L2.

Koska L2 on noin 100 kierrosta pidempi kuin L1, L2: n välinen sähköjännite on 100 kertaa suurempi kuin L1: n. Ja koska L1: ssä jännite on luokkaa 10 000 volttia, niin L2: ssa se on miljoona volttia.

L2: iin kertynyt magneettinen energia siirretään sähköenergiana kondensaattoriin C2, joka saavuttaa miljoonan voltin suurimmat maksimijännitearvot ionisoi ilmaa, tuottaa kipinän ja purkautuu äkillisesti maan läpi. Purkautumista tapahtuu välillä 100–150 kertaa sekunnissa.

LC1-piiriä kutsutaan resonanssiksi, koska kondensaattoriin C1 kertynyt energia siirtyy kelaan LI ja päinvastoin; eli värähtely tapahtuu.

Sama tapahtuu resonanssipiirissä LC2, jossa kelan L2 magneettinen energia siirretään sähköenergiana kondensaattoriin C2 ja päinvastoin. Toisin sanoen, että piirissä tuotetaan vuorotellen edestakainen virta.

LC-piirin luonnollinen värähtelytaajuus on

Resonanssi ja keskinäinen induktio

Kun LC-piireihin syötetty energia esiintyy samalla taajuudella kuin piirin luonnollinen värähtelytaajuus, energiansiirto on optimaalinen, mikä tuottaa maksimaalisen vahvistuksen piirivirralla. Tämä kaikille värähteleville järjestelmille yhteinen ilmiö tunnetaan resonanssina.

LC1- ja LC2-piirit on kytketty magneettisesti, toista ilmiötä kutsutaan keskinäiseksi induktioksi.

Optimaaliseksi energian siirtämiseksi LC1-piiristä LC2: een ja päinvastoin, molempien piirien luonnollisten värähtelytaajuuksien on vastattava toisiaan, ja niiden on vastattava myös korkeajännitelähteen taajuutta.

Tämä saavutetaan säätämällä kapasitanssi- ja induktanssiarvoja molemmissa piireissä siten, että värähtelytaajuudet vastaavat lähdetaajuutta:

Kun tämä tapahtuu, lähteestä tuleva teho siirtyy tehokkaasti LC1-piiriin ja LC1: stä LC2: een. Jokaisessa värähtelyjaksossa jokaisessa piirissä kertynyt sähköinen ja magneettinen energia kasvaa.

Kun C2: n välinen sähköjännite on riittävän korkea, energia vapautuu salaman muodossa purkaamalla C2 maahan.

Tesla-kela käyttää

Teslan alkuperäinen idea näiden kelojen kokeilussa oli aina löytää tapa siirtää sähköenergiaa pitkiä matkoja ilman johdotusta.

Tämän menetelmän alhainen hyötysuhde, joka johtui ympäristön läpi leviämisestä aiheutuneista energiahäviöistä, teki kuitenkin tarpeeksi etsiä muita keinoja sähköenergian siirtämiseksi. Nykyään johdotuksia käytetään edelleen.

Plasmavalaisin, joka auttoi Teslan kokeen kehittämisessä.

Monet Nikola Teslan alkuperäisistä ideoista ovat kuitenkin edelleen läsnä nykyisissä kiinteissä siirtojärjestelmissä. Esimerkiksi Tesla on suunnitellut sähköasemien askelmuuntajat, joiden siirto tapahtuu kaapeleilla, joissa on vähemmän häviöitä, ja askelmuuntajat muuntamiseen koteihin jakelua varten.

Siitä huolimatta, että Tesla-käämejä ei käytetä laajamittaisesti, ne ovat edelleen käyttökelpoisia korkeajänniteteollisuudessa eristysjärjestelmien, tornien ja muiden sähkölaitteiden, joiden on toimittava turvallisesti, testaamiseksi. Niitä käytetään myös erilaisissa näyttelyissä salaman ja kipinöiden tuottamiseksi, samoin kuin joissakin fysiikkakokeissa.

On tärkeää ryhtyä turvatoimenpiteisiin suurjännitekokeissa suurilla Tesla-käämillä. Esimerkki on Faraday-häkkien käyttö tarkkailijoiden ja metalliverkkojen suojaamiseksi esiintyjille, jotka osallistuvat näytöksiin näiden rullien kanssa.

Kuinka tehdä kotitekoinen Tesla-kela?

komponentit

Tesla-käämin miniatyyriversiossa ei käytetä korkeajännitelähdettä. Päinvastoin, virtalähde on 9 V akku, kuten kuvan 3 kaaviossa esitetään.

Kuva 3. Kaavio mini-Tesla-kelan rakentamisesta. Lähde: itse tehty.

Toinen ero alkuperäisestä Tesla-versiosta on transistorin käyttö. Meidän tapauksessamme se on 2222A, joka on matalan signaalin NPN-transistori, mutta jolla on nopea vaste tai korkea taajuus.

Piirissä on myös kytkin S, 3-kierroksinen ensiökäämi L1 ja toissijainen kela L2, joka on vähintään 275 kierrosta, mutta se voi myös olla välillä 300 - 400 kierrosta.

Ensiökäämi voidaan rakentaa yhteisellä johdolla, jolla on muovieriste, mutta toisiokäämi vaatii ohuen viiran, joka on päällystetty eristävällä lakalla, jota käytetään yleensä käämityksiin. Käämitys voidaan tehdä pahville tai muoviputkelle, jonka halkaisija on 3–4 cm.

Transistorin käyttö

On muistettava, että Nikola Teslan aikana ei ollut transistoreita. Tässä tapauksessa transistori korvaa alkuperäisen version "kipinäraon" tai "räjähtäjän". Transistoria käytetään porttina, joka sallii virran kulkemisen tai ei. Tätä varten transistori on polarisoitunut seuraavasti: kollektori c positiiviseen napaan ja emitteri e akun negatiiviseen napaan.

Kun pohjassa b on positiivinen polarisaatio, niin se sallii virran kulkemisen kollektorista emitteriin ja muuten estää sen.

Kaaviomme mukaan kanta on kytketty akun pluspisteeseen, mutta 22 kilo ohmin vastus on asennettu, jotta voidaan rajoittaa ylimääräistä virtaa, joka voi polttaa transistorin.

Piiri näyttää myös LED-diodin, joka voi olla punainen. Sen toiminta selitetään myöhemmin.

Toissijaisen kelan L2 vapaaseen päähän asetetaan pieni metallipallo, joka voidaan valmistaa peittämällä polystyreenipallo tai nastapallopallo alumiinifolioon.

Tämä pallo on kondensaattorin C levy, toisen levyn ollessa ympäristö. Tätä kutsutaan loistaudiksi.

Kuinka Mini Tesla -kela toimii

Kun kytkin S on kiinni, transistorin kanta on positiivisesti esijännitetty, ja myös ensiökäämin yläpää on positiivisesti esijännitetty. Joten ilmaantuu äkillisesti virta, joka kulkee ensiökäämin läpi, jatkuu kollektorin läpi, poistuu emitterista ja palaa akkuun.

Tämä virta kasvaa nollasta maksimiarvoon hyvin lyhyessä ajassa, minkä vuoksi se indusoi sähkömoottorivoiman toisiokelassa. Tämä tuottaa virran, joka kulkee L2-kelan pohjasta transistorin pohjaan. Tämä virta lopettaa yhtäkkiä kannan positiivisen polarisaation siten, että virran virtaus primaarin läpi pysähtyy.

Joissakin versioissa LED-diodi poistetaan ja piiri toimii. Sen sijoittaminen parantaa kuitenkin transistorin kantapoikkeaman leikkaamisen tehokkuutta.

Mitä tapahtuu, kun virta kiertää?

Primääripiirin nopean virran kasvujakson aikana sekundaarikäämissä indusoitiin sähkömoottorivoima. Koska primaarisen ja toissijaisen kiertojen välinen suhde on 3 - 275, kelan L2 vapaan pään jännite on 825 V maan suhteen.

Edellä esitetyn johdosta kondensaattorin C palloon syntyy voimakas sähkökenttä, joka kykenee ionisoimaan kaasua matalassa paineessa neoniputkessa tai loistelampussa, joka lähestyy palloa C, ja kiihdyttämään putken sisällä olevia vapaita elektroneja. virittää atomia, jotka tuottavat valon säteilyä.

Koska virta lakkaa äkillisesti kelan L1 läpi ja kela L2 purkautuu C: tä ympäröivän ilman kautta maata kohti, sykli aloitetaan uudelleen.

Tärkeä asia tämän tyyppisissä piireissä on, että kaikki tapahtuu hyvin lyhyessä ajassa, joten sinulla on korkeataajuinen oskillaattori. Tämän tyyppisissä piireissä transistorin tuottama räpytys tai nopea värähtely on tärkeämpää kuin edellisessä osassa kuvattu resonanssi-ilmiö, joka viittaa Tesla-kelan alkuperäiseen versioon.

Ehdotetut kokeet mini Tesla -keloilla

Kun Tesla-minikela on rakennettu, on mahdollista kokeilla sitä. Alkuperäisten versioiden salama ja kipinät eivät luonnollisestikaan tule tuottamaan.

Kuitenkin fluoresoivan hehkulampun tai neonputken avulla voimme tarkkailla, kuinka kelan lopussa kondensaattoriin muodostuvan voimakkaan sähkökentän ja kyseisen kentän korkean värähtelytaajuuden yhteisvaikutus saa lampun palaa juuri lähestyessäsi lauhdutinpalloa.

Vahva sähkökenttä ionisoi putken sisällä olevaa matalapainekaasua jättäen kaasussa vapaita elektroneja. Siten piirin korkea taajuus saa vapaat elektronit fluoresoivassa putkessa kiihdyttämään ja virittämään putken sisäseinämään kiinnittyvän fluoresoivan jauheen, aiheuttaen siitä säteilemään valoa.

Voit myös tuoda valaisevan LEDin lähemmäksi palloa C tarkkailemalla, miten se syttyy, vaikka LED-tappeja ei olisi kytketty.

Viitteet

1. Blake, T. Tesla kelateoria. Palautettu osoitteesta: tb3.com.
2. Burnett, R. Tesla-kelan käyttö. Palautettu osoitteesta: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. MacGraw Hill. 626-628.
4. Wisconsinin yliopisto - Madison. Tesla-kela. Palautettu osoitteesta: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla-kela. Palautettu osoitteesta: wikiwand.com.