特斯拉線圈尖端放電演示儀的設(shè)計與制作

呂艷梅　徐爽

摘要：本文設(shè)計了一套特斯拉線圈尖端放電演示儀，接通電源后通過串聯(lián)諧振和自激諧振產(chǎn)生的高頻電壓，達(dá)到擊穿空氣的效果，可以釋放火花一樣的電弧。產(chǎn)生的高溫高壓等離子能點火、無線輸電，隔空點亮LED、節(jié)能燈等?？梢酝ㄟ^音頻線連接電腦、MP3、手機的音頻，讓電弧唱歌、播放音樂，同時觀看旋轉(zhuǎn)的小電弧。該演示儀具有體積小、功率低，安全、可靠性高等特點。

關(guān)鍵詞：特斯拉線圈;尖端放電;演示儀

特斯拉線圈是一種基于共振原理運行的變壓器，由塞爾維亞籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉在1891年發(fā)明，它可以產(chǎn)生上百萬伏的高壓電，能直接將空氣中的氣體電離，形成等離子體，并迸發(fā)出耀眼的電弧。特斯拉線圈包括固態(tài)特斯拉線圈、火花間隙特斯拉線圈、雙諧振特斯拉線圈等。其中固態(tài)特斯拉線圈，在傳統(tǒng)特斯拉線圈的基礎(chǔ)上，人們用半導(dǎo)體原件代替了傳統(tǒng)打火器，這就形成了具有效率高、噪音小、壽命長等優(yōu)點。而且由于其本身的結(jié)構(gòu)特點，它可以通過電路輸入音頻，使電弧直接推動空氣發(fā)聲。

1設(shè)計制作

特斯拉線圈構(gòu)成主要包括初級線圈、次級線圈、驅(qū)動電路、放電頂端、三極管、電容等部件。它由一個雙調(diào)諧耦合回路構(gòu)成，它的一次回路由諧振電容和一次繞組構(gòu)成了串聯(lián)諧振回路，因為串聯(lián)諧振是電壓諧振，可以獲得高壓大電流和巨大的激磁功率，二次回路可以感應(yīng)到更高的等效激勵電壓，諧振升壓后輸出更高的電壓，產(chǎn)生更加壯觀的電弧。電路原理圖如圖1所示。供電輸入電壓：24V DC;供電電源電流：2A-3A;次級線圈尺寸：直徑4CM，高度10CM，線圈圈數(shù)370圈，線圈線徑0.2的漆包線。設(shè)備增加了風(fēng)扇來提高散熱效率，特斯拉線圈尖端放電演示儀實物圖如圖2所示。該演示儀可以演示尖端放電現(xiàn)象、音樂電弧、熒光燈隔空點亮以及無線傳電等現(xiàn)象。

2實驗現(xiàn)象

特斯拉線圈工作時，初級線圈與次級線圈產(chǎn)生諧振，在次級線圈中形成超高壓以及強電場。次級線圈頂部加裝尖端，強電場作用下便產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，如圖3所示。極高的電壓會擊穿空氣，產(chǎn)生紫色的電弧，也就是離子風(fēng)，產(chǎn)生的電弧會有一定的推力，在推力的作用下就會擺動起來，隨著擺動的力度增強，就旋轉(zhuǎn)起來，如圖4所示。將熒光燈管靠近工作中的特斯拉線圈，可以看到燈管被點亮，這是由于次級線圈的超強電場，使得燈管內(nèi)氬氣及水銀蒸氣被強電場直接電離，從而使燈管在不接電源的情況下，實現(xiàn)隔空點亮，如圖5所示。還可以通過音頻線連接MP3、電腦、手機的音頻，讓電弧唱歌播放音樂。

特斯拉線圈雖然電壓很高，但由于電流極小，而且是高頻放電，達(dá)不到給人造成傷害的強度。使用時請注意，通電的時候先接通220V轉(zhuǎn)24V的開關(guān)電源，延時1-2秒后，等電源電壓穩(wěn)定后再打開特斯拉的電源開關(guān)。這是因為開關(guān)電源的一般都有緩啟動功能，即剛開機后輸出電壓是緩慢上升的，而如果在電壓上升到15V之前就接通特斯拉，會因為啟動電壓不夠而不起振，導(dǎo)致三極管對地導(dǎo)通從而燒毀元件。

3結(jié)束語

特斯拉線圈用途比較廣泛，可以利用特斯拉線圈對電動汽車研發(fā);也可用于手機無線充電;還可以用于藝術(shù)、游戲和電能的無線傳輸方面，如利用特斯拉線圈制造尖端放電和旋轉(zhuǎn)電弧。

設(shè)計并制作了一套安全、簡易的特斯拉線圈尖端放電演示儀，演示儀展示出一系列有趣的實驗現(xiàn)象體現(xiàn)出了豐富的物理知識，演示現(xiàn)象有助于學(xué)生對諧振電路、電場、電勢、等離子體、振動發(fā)聲等物理概念和原理的理解。該演示儀可以作為科普趣味教學(xué)演示儀器，有助于學(xué)生理解、運用實驗現(xiàn)象背后的相關(guān)物理知識，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

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