特斯拉线圈

来源:硬件工程师炼成之路发布时间:2022-12-302312浏览

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

01 特斯拉线圈

你也许看到过特斯拉线圈令人惊讶的放电展示。它究竟如何工作的呢？下面听听Kathy给我们讲讲特斯拉线圈每一部分是如何被发明，它的工作原理是什么。

一、感应电流

故事发生在1826年，一位名叫斯特金的退伍士兵，研究了缠绕在铁棒周围的线圈，发现通电之后的铁棒具有了磁性，可以吸引金属铁质物件，这就是大众熟悉的电磁铁。

▲ 图1.1 电磁线圈以及电磁铁

大约六年之后，在1831年，法拉第打算试试看可否利用磁场产生电流。但他没有那么幸运，当时他没有可用的强磁铁，所以决定利用电磁铁来实验。他把两个独立的线圈缠绕在一个铁环两边。发现在第一个线圈接通电压或者断开电压时，第二个线圈会出现电流脉冲。法拉第使用磁场的概念来解释这个现象，当线圈内的磁场发生变化，便会在线圈中感应出电流。不过令法拉第感到沮丧的是，他从未能够感受到第二个线圈上的电压。那个时候人们能够测量电压的手段并不多，只有为数不多的几种办法。

▲ 图1.2 法拉第电磁感应线圈

二、升压变压器

几年之后，一位来自爱尔兰的牧师，业余科学家，名叫尼古拉斯·卡伦，他对法拉第的装置进行改进，可以获得更强的电压。他把两个线圈在同一电棒上进行缠绕，之间是由绝缘层分隔开。他惊奇的发现当初级线圈断开与电池的连接时，可以在次级线圈上感受到强烈的电击。当第一个线圈比较薄，也就是线圈匝数比较少，第二个线圈比较厚，对应的的匝数比较多时，可以感受到第二个线圈输出的电压又增强了许多。卡伦并不知道他发明了一个升压变压器。

▲ 图1.3 卡伦的升压变压器

当原边连接电池，于是产生了磁场并把铁芯变成了电磁铁。当电池断开后，铁芯失去了磁性。因此根据法拉第提出崭新的电磁感应理论，每当电池接入线圈或者断开时，都会在副边产生感应电流。当副边线圈比原边少的时候，感应的电压小，但产生的电流大。这也解释了为什么法拉第可以测量到电流，但并没有感受到线圈上的电压刺激。当副边的线圈增多时，便可以产生更大的电压，人们感受的电压刺激就越强，但输出的电流相对变小。

三、高压脉冲

卡伦还发明了一个齿轮能够不断地完成电池进入线圈和断开，被称为“重复器”，这样就可以持续产生感应电压。他说这是至今为止人们所建造的产生高压最好的设备。卡伦把他的实验结果发送给他的朋友斯特金，斯特金也制作了相同的设备，并对卡伦的方案进行了改进，后来很多人将这个设备当做折磨人的设备进行出售，从而发了财。

▲ 图1.4 斯特金制作的变压器

令人不可思议的是，感应线圈居然越来越流行，也被用于医疗方面，许多病症都可以被电击来治疗，包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，头疼，神经痛，风湿病，耳朵疼，牙疼等。

于是人们开始竞相制作可以输出更大，输出更加稳定持续的电击或者火花的设备。其中最重要的一个发明就是设计了一种线圈自动完成通断的设备，把原来的齿轮和手柄替代。在原边线圈通电时，也将铁芯进行磁化，于是吸引弹簧上的衔铁摆动，并将电流断开。此时线圈断电，铁芯失去磁性。释放了衔铁，在弹簧作用下重新连通线路。这样便可以形成20到40Hz的通断，当时被称为电磁通断器。

▲ 图1.5 自动电火花设备

四、谐振回路

然后，在电流通断时会产生大量的火花。到了1853年，一位法国的物理学家，名叫安阿曼德·菲扎，在电磁触点两端增加了莱顿瓶，相当于增加了一个电容器。莱顿瓶实际上是在玻璃瓶的内外包裹了金属膜，也是最早的电容器。莱顿瓶的电容容量取决于金属膜的面积和玻璃瓶壁的厚度。自从加入了莱顿瓶，菲扎消除了电磁触点的火花，但同时也创建了一个革新的设备，可以将来自电池的直流电能转换成交流电。其中的原理是什么呢？

▲ 图1.6 莱顿瓶-高压电容器

电池连接莱顿瓶，在内外存储了相反的电荷，如果使用线圈进行短接，于是莱顿瓶放电产生电流脉冲。然后，如果短接电线连接了线圈，电流脉冲通过线圈时，使得线圈内的磁场发生变化。变化的磁场又会在线圈内感应出新的电流，这是线圈的自感现象。因此当莱顿瓶在线圈放电时，放电电流会持续，甚至在莱顿瓶中的电荷是放完之后还会持续，这样就会在莱顿瓶中产生相反的充电电荷。于是莱顿瓶又开始了反方向的放电，如果放电回路中没有电阻损耗，放电电流就会来回反复流动。如果放电回路中存在电阻损耗，放电电流就会在每次循环中降低，直到系统中电能被完全释放，没有电流流动。电容与线圈相连被称为谐振回路，现今仍然被应用于振荡电流。

▲ 图1.7 莱顿瓶与线圈组成的谐振环路

振荡频率依赖于谐振回路中的电容和电感大小。如果你想改变震荡频率，可以通过改变线圈大小和电容形状。利用这种方式，在19世纪50年代，人们可以将电池的直流电转换成几兆赫兹的交流脉冲信号，覆盖无线电波频率范围。又过了若干年，科学家引入了微分方程来描述电路的工作机制。到了1886年，德国科学家海因里奇·赫兹利用感应线圈第一次观察到了无线电波。然而赫兹并没有认识到他的发现的重要性，只是认为证明了电磁波理论的正确性。

▲ 图1.8 LC 谐振电压波形

五、特斯拉线圈

现在我们聊聊尼古拉·特斯拉。在1889年夏天特斯拉来到巴黎世界博览会，听说了有关电磁波的神奇实验。于是他自己着手做相应的实验，制作了感应线圈，但他又进行了新的创新，将原来电磁通断器去掉，使用一台交流发电机产生交流电驱动初级线圈。这是非常实质的改进，不再依赖于机械装置来产生交变电流，而直接使用交流发电机来提供交变电源。为此特斯拉还同时发明了交流发电机，三相交流发电机。这些装置功率很大，使得线圈温度上升，烧坏了线圈的绝缘层，所以他设计了空心线圈。

▲ 图1.9 特斯拉与他发明的三相交流发电机

后来他发现初级中的了莱顿瓶时好时坏，于是将莱顿瓶移到高压次级线圈，并且对电容容量能够调整。通过调整次级电容大小，也可以改变次级的谐振频率，使其为初级交流频率的整数倍数。借助于这种方式，特斯拉产生了高频高压电流。利用次级电容，产生了可调谐的高频电磁波。当时的特斯拉对于无线电报和无线广播并不感兴趣，他对无线电能传输照明应用比较痴迷。为此，他增加了一个谐振回路，这个回路利用单个电线便可以点亮灯泡。他发现对于霓虹灯、荧光灯来说，甚至不需要任何电线连接，只要靠近高压线圈便能够发光。后来人们发现在高压线圈顶部增加巨大的金属圆环，便可以产生非常漂亮的放电电弧。这也是现如今特斯拉线圈最常见到的展示实验。

▲ 图1.10 特斯拉高压点亮氖泡和荧光灯的专利图片

下面让我们了解一下现代特斯拉线圈的工作机制以及它所能够创造的迷人放电演示。升压变压器通过次级线圈的增加来获得更高的交流电压。线圈与电容器组成谐振回路。特斯拉线圈中，交流电压首先通过升压变压器进行电压提升，相应的输出电流减少。这一点与当年卡伦的变压器作用相同。利用放电间隙对谐振电容进行放电，从而使得谐振回路产生高频电压。这个高频高压交流电输入到另外一个变压器的原边，产生更高的交流电压，在次级能够产生数百万伏的高压交流电，并对金属圆环体进行充电。由于顶部圆环上的电压非常高，于是引起空气电离，产生巨大的放电现象。