катушка Тесла

Схема электрического резонансного трансформатора, изобретенная Николой Теслой

Катушка Тесла — это электрическая резонансная трансформаторная схема, разработанная изобретателем Николой Теслой в 1891 году. ^[1] Она используется для получения переменного тока высокого напряжения , слабого тока и высокой частоты . ^{[2] [3]} Тесла экспериментировал с рядом различных конфигураций, состоящих из двух, а иногда и трех связанных резонансных электрических цепей .

Тесла использовал эти схемы для проведения инновационных экспериментов в области электрического освещения , фосфоресценции , генерации рентгеновских лучей , явлений переменного тока высокой частоты , электротерапии и передачи электроэнергии без проводов . Схемы катушек Теслы использовались в коммерческих целях в радиопередатчиках с искровым зазором для беспроводной телеграфии до 1920-х годов ^{[1] [4]} и в медицинском оборудовании, таком как электротерапия и устройства фиолетового луча . Сегодня их основное применение — для развлекательных и образовательных дисплеев, хотя небольшие катушки по-прежнему используются в качестве детекторов утечек для высоковакуумных систем. ^{[5] [6]}

Первоначально в катушках Теслы использовались фиксированные или вращающиеся искровые разрядники для обеспечения прерывистого возбуждения резонансного контура; в последнее время для обеспечения необходимого коммутационного действия используются электронные устройства.

Операция

Самодельная катушка Тесла в действии, демонстрирующая щеточные разряды от тороида. Высокое электрическое поле заставляет воздух вокруг высоковольтного терминала ионизироваться и проводить электричество, позволяя электричеству просачиваться в воздух в виде красочных коронных разрядов , щеточных разрядов и стримерных дуг . Катушки Тесла используются для развлечений в научных музеях и на публичных мероприятиях, а также для спецэффектов в кино и на телевидении.

Униполярная схема катушки Тесла. C2 не является фактическим конденсатором , а представляет собой емкость вторичных обмоток L2 , плюс емкость относительно земли тороидального электрода E.

Катушка Теслы — это радиочастотный генератор , который управляет двухнастроенным резонансным трансформатором с воздушным сердечником для получения высокого напряжения при низком токе. ^{[4] [7] [8] [9] [10] [11]} Оригинальные схемы Теслы и большинство современных катушек используют простой искровой промежуток для возбуждения колебаний в настроенном трансформаторе. Более сложные конструкции используют транзисторные или тиристорные ^[7] переключатели или электронные генераторы на вакуумных лампах для управления резонансным трансформатором.

Катушки Тесла могут выдавать выходные напряжения от 50  киловольт до нескольких миллионов вольт для больших катушек. ^{[7] [9] [11]} Выходной переменный ток находится в диапазоне низких радиочастот , обычно между 50 кГц и 1 МГц. ^{[9] [11]} Хотя некоторые катушки, управляемые генератором, генерируют непрерывный переменный ток , большинство катушек Тесла имеют импульсный выход; ^[7] высокое напряжение состоит из быстрой последовательности импульсов переменного тока радиочастоты.

Обычная схема искрового возбуждения катушки Тесла, показанная ниже, состоит из следующих компонентов: ^{[8] [12]}

• Высоковольтный трансформатор питания (T) , для повышения напряжения сети переменного тока до достаточно высокого напряжения, чтобы перекрыть искровой промежуток. Типичные напряжения составляют от 5 до 30 киловольт (кВ). ^[12]
• Конденсатор (C1) , который образует настроенный контур с первичной обмоткой L1 трансформатора Тесла.
• Искровой разрядник (ИСЗ) , действующий как переключатель в первичной цепи
• Катушка Тесла (L1, L2) — это двухнастраиваемый резонансный трансформатор с воздушным сердечником , который генерирует высокое выходное напряжение.
• Опционально, емкостный электрод (верхняя нагрузка) (E) в виде гладкой металлической сферы или тора, прикрепленный к вторичной клемме катушки. Его большая площадь поверхности подавляет преждевременный пробой воздуха и дуговые разряды, увеличивая добротность и выходное напряжение.

Резонансный трансформатор

Специализированный трансформатор, используемый в цепи катушки Тесла (L1, L2) , называемый резонансным трансформатором , трансформатором колебаний или радиочастотным (РЧ) трансформатором, функционирует иначе, чем обычные трансформаторы, используемые в цепях переменного тока. ^{[13] [14] [ 15]} В то время как обычный трансформатор предназначен для эффективной передачи энергии из первичной во вторичную обмотку, резонансный трансформатор также предназначен для временного хранения электрической энергии. Каждая обмотка имеет емкость и функционирует как LC-контур (резонансный контур, настроенный контур ), сохраняя колебательную электрическую энергию, аналогично тому, как камертон сохраняет колебательную механическую энергию. Первичная катушка (L1), состоящая из относительно небольшого количества витков толстой медной проволоки или трубки, подключена к конденсатору (C1) через искровой промежуток (SG) . ^{[7] [8]} Вторичная катушка (L2) состоит из множества витков (сотни-тысячи) тонкой проволоки на полой цилиндрической форме внутри первичной. Вторичная обмотка не подключена к реальному конденсатору, но также функционирует как LC-контур, индуктивность (L2) резонирует с паразитной емкостью (C2) , суммой паразитной емкости между обмотками катушки и емкостью тороидального металлического электрода, прикрепленного к высоковольтному выводу. Первичная и вторичная обмотки настроены так, что они имеют одинаковую резонансную частоту , ^[6] поэтому они обмениваются энергией, действуя как связанный осциллятор ; во время каждой искры накопленная энергия быстро колеблется вперед и назад между первичной и вторичной обмотками.

Своеобразная конструкция катушки продиктована необходимостью достижения низких резистивных потерь энергии (высокой добротности ) на высоких частотах ^[9] , что приводит к наибольшим вторичным напряжениям:

• Обычные силовые трансформаторы имеют железный сердечник для увеличения магнитной связи между катушками. Однако на высоких частотах железный сердечник вызывает потери энергии из-за вихревых токов и гистерезиса , поэтому он не используется в катушке Тесла. ^[15]
• Обычные трансформаторы спроектированы так, чтобы быть «плотно связанными». И первичная, и вторичная обмотки плотно намотаны вокруг железного сердечника. Благодаря железному сердечнику и близкому расположению обмоток они имеют высокую взаимную индуктивность (М) , коэффициент связи близок к единице 0,95 – 1,0, что означает, что почти все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную. ^{[13] [15]} Трансформатор Теслы, напротив, «слабосвязан», ^{[7] [15]} первичная обмотка больше в диаметре и расположена отдельно от вторичной, ^[8] поэтому взаимная индуктивность ниже, а коэффициент связи составляет всего 0,05–0,2. ^{[16] [9]} Это означает, что только 5%–20% магнитного поля первичной катушки проходит через вторичную, когда она разомкнута. ^{[7] [12]} 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 провода, что снижает потери из-за эффекта близости . Первичная обмотка переносит очень высокие токи. Поскольку высокочастотный ток в основном течет по поверхности проводников из-за скин-эффекта , она часто изготавливается из медной трубки или полосы с большой площадью поверхности для снижения сопротивления, а ее витки разнесены, что снижает потери из-за эффекта близости и дугообразование между витками. ^{[17] [18]}

Выходная цепь может иметь две формы:

• Униполярный : Один конец вторичной обмотки подключен к одному высоковольтному выводу, другой конец заземлен . Этот тип используется в современных катушках, предназначенных для развлечений. Первичная обмотка расположена около нижнего, низкопотенциального конца вторичной обмотки, чтобы минимизировать дуги между обмотками. Поскольку земля (земля) служит обратным путем для высокого напряжения, дуги стримера от вывода имеют тенденцию переходить на любой близлежащий заземленный объект.
• Биполярный : Ни один из концов вторичной обмотки не заземлен, и оба выведены на высоковольтные клеммы. Первичная обмотка расположена в центре вторичной катушки, на равном расстоянии между двумя высокопотенциальными клеммами, чтобы предотвратить дугообразование.

Операционный цикл

Схема работает в быстро повторяющемся цикле, в котором трансформатор питания (T) заряжает первичный конденсатор (C1) , который затем разряжается искрой через искровой промежуток, создавая кратковременный импульс колебательного тока в первичной цепи, который возбуждает высокое колебательное напряжение во вторичной обмотке: ^{[10] [12] [15] [19]}

1. Ток от питающего трансформатора (Т) заряжает конденсатор (С1) до высокого напряжения.
2. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя искрового промежутка (SG), начинается искра, снижающая 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 радиочастотный колебательный ток в первичной цепи на резонансной частоте цепи .
3. Колеблющееся магнитное поле первичной обмотки индуцирует колебательный ток во вторичной обмотке (L2) по закону индукции Фарадея . В течение ряда циклов энергия в первичной цепи передается во вторичную. Общая энергия в настроенных контурах ограничена энергией, изначально запасенной в конденсаторе C1 , поэтому по мере увеличения амплитуды колебательного напряжения во вторичной обмотке («звон вверх») колебания в первичной обмотке уменьшаются до нуля. Хотя концы вторичной катушки разомкнуты, она также действует как настроенный контур из-за емкости (C2) , суммы паразитной емкости между витками катушки плюс емкость тороидального электрода E. Ток быстро течет вперед и назад через вторичную катушку между ее концами. Из-за малой емкости колебательное напряжение на вторичной катушке, которое появляется на выходной клемме, намного больше первичного напряжения.
4. Вторичный ток создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение обратно в первичной катушке, и в течение ряда дополнительных циклов энергия передается обратно в первичную, заставляя колебательное напряжение во вторичной обмотке уменьшаться («звон вниз»). Этот процесс повторяется, энергия быстро перемещается вперед и назад между первичной и вторичной настроенными цепями. Колебательные токи в первичной и вторичной обмотках постепенно затухают из-за энергии, рассеиваемой в виде тепла в искровом промежутке и сопротивлении катушки.
5. Когда ток через искровой промежуток становится недостаточным для поддержания ионизированного воздуха в промежутке, искра прекращается («гаснет»), прекращая ток в первичной цепи. Колеблющийся ток во вторичной цепи может продолжаться некоторое время.
6. Ток от питающего трансформатора снова начинает заряжать конденсатор С1 , и цикл повторяется.

Весь этот цикл происходит очень быстро, колебания затухают за время порядка миллисекунды. Каждая искра через искровой промежуток создает импульс затухающего синусоидального высокого напряжения на выходном выводе катушки. Каждый импульс затухает до того, как возникает следующая искра, поэтому катушка генерирует цепочку затухающих волн , а не непрерывное синусоидальное напряжение. ^[10] Высокое напряжение от трансформатора питания, которое заряжает конденсатор, представляет собой синусоидальную волну частотой 50 или 60 Гц . В зависимости от того, как установлен искровой промежуток, обычно одна или две искры возникают на пике каждого полупериода тока сети, поэтому в секунду возникает более сотни искр. Таким образом, искра в искровом промежутке кажется непрерывной, как и высоковольтные стримеры с верхней части катушки.

Вторичная обмотка трансформатора питания (T) подключена через первичный настроенный контур. Может показаться, что трансформатор будет путем утечки для тока высокой частоты, гасящим колебания. Однако его большая индуктивность придает ему очень высокое сопротивление на резонансной частоте, поэтому он действует как разомкнутая цепь для тока колебаний. Если трансформатор питания имеет недостаточную индуктивность короткого замыкания , в его вторичные выводы помещают радиочастотные дроссели , чтобы блокировать ток высокой частоты.

Частота колебаний

Для получения наибольшего выходного напряжения первичные и вторичные настроенные контуры настраиваются на резонанс друг с другом. ^{[9] [10] [13]} Резонансные частоты первичной и вторичной цепей, и , определяются индуктивностью и емкостью в каждой цепи: ^{[9] [10] [13]} ${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$ ${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$

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

Обычно вторичная обмотка не регулируется, поэтому первичный контур настраивается, как правило, с помощью подвижного отвода на первичной катушке L ₁ , пока он не начнет резонировать на той же частоте, что и вторичная обмотка:

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

Таким образом, условие резонанса между первичным и вторичным контурами:

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

Резонансная частота катушек Тесла находится в диапазоне низких радиочастот (РЧ), обычно между 50 кГц и 1 МГц. Однако из-за импульсной природы искры они производят широкополосный радиошум и без экранирования могут быть значительным источником радиопомех , мешая близкому радио- и телевизионному приему.

Выходное напряжение

Большая катушка, создающая дуги 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. ^{[15] [20]} Его можно приблизительно рассчитать из закона сохранения энергии . В начале цикла, когда начинается искра, вся энергия в первичной цепи сохраняется в первичном конденсаторе . Если — напряжение, при котором пробивает искровой промежуток, которое обычно близко к пиковому выходному напряжению трансформатора питания T , эта энергия равна ${\displaystyle W_{1}}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle V_{1}}$

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

Во время "звона" эта энергия передается во вторичную цепь. Хотя часть теряется в виде тепла в искре и других сопротивлениях, в современных катушках более 85% энергии оказывается во вторичной цепи. ^[10] На пике ( ) синусоидальной формы напряжения вторичной цепи вся энергия во вторичной цепи сохраняется в емкости между концами вторичной катушки ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle W_{2}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

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

Предполагая отсутствие потерь энергии, Подставляя в это уравнение и упрощая, пиковое вторичное напряжение равно ^{[9] [10] [15]} ${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$

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

Вторая формула выше выведена из первой с использованием условия резонанса . ^[15] Поскольку емкость вторичной катушки очень мала по сравнению с первичной емкостью, первичное напряжение увеличивается до высокого значения. ^[10] ${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$

Вышеуказанное пиковое напряжение достигается только в катушках, в которых не происходит воздушных разрядов; в катушках, которые производят искры, как развлекательные катушки, пиковое напряжение на клемме ограничено напряжением, при котором воздух разрушается и становится проводящим. ^{[10] [15] [17]} По мере того, как выходное напряжение увеличивается во время каждого импульса напряжения, оно достигает точки, в которой воздух рядом с высоковольтным выводом ионизируется и коронные разряды , кистевые разряды и дуги стримера вырываются из клеммы. Это происходит, когда напряженность электрического поля превышает диэлектрическую прочность воздуха, около 30 кВ на сантиметр. Поскольку электрическое поле наибольшее в острых точках и краях, воздушные разряды начинаются в этих точках на высоковольтном выводе. Напряжение на высоковольтном выводе не может увеличиться выше напряжения пробоя воздуха, потому что дополнительный электрический заряд, закачанный в клемму из вторичной обмотки, просто выходит в воздух. Выходное напряжение открытых катушек Тесла ограничено несколькими миллионами вольт из-за пробоя воздуха ^[6] , но более высокие напряжения могут быть достигнуты с помощью катушек, погруженных в напорные баки с изолирующим маслом .

Электрод с верхней нагрузкой или «тороид»

Твердотельная катушка Тесла DRSSTC с заостренным проводом, прикрепленным к тороиду, для создания кистевого разряда

Большинство конструкций катушек Тесла имеют гладкий сферический или тороидальный металлический электрод на высоковольтном выводе. Электрод служит одной пластиной конденсатора , а Земля — другой пластиной, образуя настроенный контур с вторичной обмоткой. Хотя «тороид» увеличивает вторичную емкость, что имеет тенденцию к снижению пикового напряжения, его главный эффект заключается в том, что его изогнутая поверхность большого диаметра снижает градиент потенциала ( электрическое поле ) на высоковольтном выводе; он функционирует аналогично коронному кольцу , увеличивая пороговое напряжение, при котором возникают воздушные разряды, такие как коронный и кистевой разряды. ^[21] Подавление преждевременного пробоя воздуха и потери энергии позволяет напряжению нарастать до более высоких значений на пиках формы волны, создавая более длинные, более впечатляющие стримеры, когда воздушные разряды наконец происходят. ^[15]

Если верхний электрод достаточно большой и гладкий, электрическое поле на его поверхности может никогда не стать достаточно высоким даже при пиковом напряжении, чтобы вызвать пробой воздуха, и воздушные разряды не произойдут. Некоторые развлекательные катушки имеют острую «искровую точку», выступающую из тора, чтобы начать разряды. ^[21]

Типы

Термин «катушка Теслы» применяется к ряду схем высоковольтных резонансных трансформаторов.

Возбуждение

Схемы катушек Тесла можно классифицировать по типу «возбуждения», который они используют, то есть по типу цепи, которая используется для подачи тока на первичную обмотку резонансного трансформатора: ^{[6] [22] [23]}

• Катушка Тесла с искровым возбуждением или искровым зазором (SGTC) : этот тип использует искровой зазор для замыкания первичной цепи, возбуждая колебания в резонансном трансформаторе. Искровые зазоры имеют недостатки из-за высоких первичных токов, с которыми они должны справляться. Они производят очень громкий шум во время работы, вредный озоновый газ и высокие температуры, которые могут потребовать системы охлаждения. Энергия, рассеиваемая в искре, также снижает добротность и выходное напряжение. Все катушки Теслы были с искровым возбуждением.
  • Статический искровой разрядник : это наиболее распространенный тип, который был подробно описан в предыдущем разделе. Он используется в большинстве развлекательных катушек. Переменное напряжение от высоковольтного трансформатора питания заряжает конденсатор, который разряжается через искровой разрядник. Частота искрообразования не регулируется, но определяется частотой сети 50 или 60 Гц. Несколько искр могут возникать в каждом полупериоде, поэтому импульсы выходного напряжения могут быть неравномерно распределены.
  • Статический управляемый искровой разрядник : Коммерческие и промышленные схемы часто используют постоянное напряжение от источника питания для зарядки конденсатора и используют высоковольтные импульсы, генерируемые генератором, применяемым к пусковому электроду, для запуска искры. ^{[7] [23]} Это позволяет контролировать скорость искры и возбуждающее напряжение. Коммерческие искровые разрядники часто заключаются в изолирующую газовую атмосферу, такую ​​как гексафторид серы , что уменьшает длину и, следовательно, потери энергии в искре.
  • Вращающийся искровой разрядник : они используют искровой разрядник, состоящий из электродов по периферии колеса, вращаемого с высокой скоростью двигателем, которые создают искры, когда они проходят мимо неподвижного электрода. ^[23] Тесла использовал этот тип на своих больших катушках, и они используются сегодня на больших развлекательных катушках. Быстрая скорость разделения электродов быстро гасит искру, позволяя гашение «первой метки», делая возможными более высокие напряжения. Колесо обычно приводится в движение синхронным двигателем , поэтому искры синхронизированы с частотой линии переменного тока, искра возникает в одной и той же точке на форме волны переменного тока в каждом цикле, поэтому первичные импульсы повторяются.
• Коммутируемая или твердотельная катушка Тесла (SSTC) : они используют силовые полупроводниковые приборы , обычно тиристоры или транзисторы, такие как MOSFET или IGBT , ^[7], запускаемые схемой твердотельного генератора для переключения импульсов напряжения от источника постоянного тока через первичную обмотку. ^[23] Они обеспечивают импульсное возбуждение без недостатков искрового промежутка: громкого шума, высоких температур и низкой эффективности. Напряжение, частота и форма волны возбуждения могут точно контролироваться. SSTC используются в большинстве коммерческих, промышленных и исследовательских приложений ^[7], а также в качестве более качественных развлекательных катушек.
  • Одиночная резонансная твердотельная катушка Тесла (SRSSTC) : в этой схеме первичная обмотка не имеет резонансного конденсатора и поэтому не является двухрезонансной схемой; только вторичная обмотка является таковой. Ток к первичной обмотке от транзисторов переключения возбуждает резонанс во вторичной настроенной схеме. Одиночные настроенные SSTC проще, но одиночная резонансная схема обычно имеет более низкий коэффициент добротности и поэтому хранит меньше энергии и вырабатывает более низкие напряжения, чем двойные резонансные схемы, при прочих равных условиях.
  • Двойная резонансная твердотельная катушка Тесла (DRSSTC) : схема похожа на схему с двойной настройкой и искровым возбуждением, за исключением того, что вместо трансформатора питания переменного тока ( T ) в первичной цепи используется источник питания постоянного тока, заряжающий конденсатор, а вместо искрового промежутка полупроводниковые переключатели замыкают цепь между конденсатором и первичной катушкой.

Тема «Звездных войн» , исполненная на катушке Тесла, электростанция Ниагарского парка , 2024 г.

• • Поющая катушка Тесла или музыкальная катушка Тесла : это не отдельный тип возбуждения, а модификация первичной цепи твердого тела для создания катушки Тесла, на которой можно играть как на музыкальном инструменте, с ее высоковольтными разрядами, воспроизводящими простые музыкальные тона. Импульсы напряжения привода, приложенные к первичной обмотке, модулируются со звуковой частотой твердотельной схемой «прерывателя», заставляя дуговой разряд от высоковольтного терминала издавать звуки. До сих пор были получены только тоны и простые аккорды; катушка не может функционировать как громкоговоритель , воспроизводя сложную музыку или звуки голоса. Выход звука контролируется клавиатурой или MIDI-файлом, применяемым к схеме через MIDI- интерфейс.Используются два метода модуляции : AM ( амплитудная модуляция возбуждающего напряжения) и PFM ( частотно-импульсная модуляция ). Они в основном построены как новинки для развлечения.
• Непрерывная волна : в них трансформатор приводится в действие генератором обратной связи , который подает импульс тока на первичную обмотку каждый цикл тока ВЧ, возбуждая непрерывное колебание. ^[23] Первичный настроенный контур служит в качестве контура генератора, и схема напоминает радиопередатчик . В отличие от предыдущих схем, которые генерируют импульсный выход, они генерируют непрерывный синусоидальный выход. Мощные вакуумные лампы часто используются в качестве активных устройств вместо транзисторов, поскольку они более надежны и устойчивы к перегрузкам. В общем, непрерывное возбуждение создает более низкие выходные напряжения от заданной входной мощности, чем импульсное возбуждение. ^[23]

Количество витков

Схемы Теслы также можно классифицировать по количеству резонансных катушек ( индукторов ), которые они содержат: ^{[24] [25]}

• Двухкатушечные или двухрезонансные контуры: практически все современные катушки Теслы используют двухкатушечный резонансный трансформатор , состоящий из первичной обмотки, на которую подаются импульсы тока, и вторичной обмотки, которая вырабатывает высокое напряжение, изобретенный Теслой в 1891 году. Термин «катушка Теслы» обычно относится к этим контурам.
• Схемы с тремя катушками , тройным резонансом или увеличителем : это схемы с тремя катушками, основанные на схеме «увеличительного передатчика» Теслы, с которой он начал экспериментировать до 1898 года и установил ее в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс в 1899–1900 годах и запатентовал в 1902 году. ^{[26] [27] [28]} Они состоят из двухкатушечного повышающего трансформатора с воздушным сердечником, похожего на трансформатор Теслы, со вторичной обмоткой, подключенной к третьей катушке, не связанной магнитно с другими, называемой «дополнительной» или «резонаторной» катушкой, которая питается последовательно и резонирует со своей собственной емкостью. Выход берется со свободного конца этой катушки. Наличие трех емкостных цепей для хранения энергии придает этой схеме более сложное резонансное поведение. ^[29] Это предмет исследования, но использовалось в немногих практических приложениях.

История

Электрические колебания и резонансные схемы трансформаторов с воздушным сердечником были исследованы до Теслы. ^{[37] [36]} Резонансные схемы с использованием лейденских банок были изобретены в 1826 году Феликсом Савари , Джозефом Генри , Уильямом Томсоном и Оливером Лоджем . ^[38] Генри Роуленд построил резонансный трансформатор в 1889 году . ^[31] Элиху Томсон изобрел схему катушки Теслы независимо в то же время, что и Тесла. ^{[39] [40] [41] [30]} Тесла запатентовал свою схему катушки Теслы 25 апреля 1891 года. ^{[42] [43]} и впервые публично продемонстрировал ее 20 мая 1891 года в своей лекции « Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение к методам искусственного освещения » перед Американским институтом инженеров-электриков в Колумбийском колледже , Нью-Йорк. ^{[44] [45] [34]} Хотя Тесла запатентовал много подобных схем в этот период, эта была первой, которая содержала все элементы катушки Теслы: высоковольтный первичный трансформатор, конденсатор, искровой промежуток и «колебательный трансформатор» с воздушным сердечником.

Современные катушки Теслы

Электрический разряд , демонстрирующий молниеподобные плазменные нити из «катушки Теслы»

Катушка Тесла (разряд)

Катушка Тесла в террариуме (I)

Современные энтузиасты высокого напряжения обычно строят катушки Теслы, похожие на некоторые из «более поздних» конструкций Теслы с двумя катушками и воздушным сердечником. Они обычно состоят из первичного контура , последовательной цепи LC ( индуктивность - емкость ), состоящей из высоковольтного конденсатора , искрового промежутка и первичной катушки ; и вторичной цепи LC, последовательно-резонансной цепи, состоящей из вторичной катушки и терминальной емкости или «верхней нагрузки». В более продвинутой конструкции Теслы (увеличительной) добавляется третья катушка. Вторичная цепь LC состоит из плотно связанной вторичной катушки трансформатора с воздушным сердечником, приводящей в движение нижнюю часть отдельной третьей катушки спирального резонатора. Современные системы с двумя катушками используют одну вторичную катушку. Верхняя часть вторичной обмотки затем подключается к клемме верхней нагрузки, которая образует одну «пластину» конденсатора , другая «пластина» является землей (или « землей »). Первичный LC-контур настроен так, что он резонирует на той же частоте, что и вторичный LC-контур. Первичная и вторичная катушки магнитно связаны, создавая двухнастраиваемый резонансный трансформатор с воздушным сердечником. Ранние масляные катушки Тесла нуждались в больших и длинных изоляторах на своих высоковольтных клеммах, чтобы предотвратить разряд в воздухе. Более поздние катушки Тесла распространяли свои электрические поля на большие расстояния, чтобы предотвратить высокие электрические напряжения в первую очередь, тем самым позволяя работать на открытом воздухе. Большинство современных катушек Тесла также используют выходные клеммы в форме тороида. Они часто изготавливаются из литого металла или гибких алюминиевых воздуховодов. Тороидальная форма помогает контролировать высокое электрическое поле вблизи верхней части вторичной обмотки, направляя искры наружу и в сторону от первичной и вторичной обмоток.

Более сложная версия катушки Теслы, названная Теслой «увеличителем», использует более тесно связанный резонансный трансформатор с воздушным сердечником «драйвер» (или «задающий генератор») и меньшую, удаленно расположенную выходную катушку (называемую «дополнительной катушкой» или просто резонатором ) , которая имеет большое количество витков на относительно небольшой форме катушки. Нижняя часть вторичной обмотки драйвера соединена с землей. Противоположный конец соединен с нижней частью дополнительной катушки через изолированный проводник, который иногда называют линией передачи. Поскольку линия передачи работает при относительно высоких напряжениях РЧ, она обычно изготавливается из металлической трубки диаметром 1 дюйм для снижения потерь на корону. Поскольку третья катушка расположена на некотором расстоянии от драйвера, она не связана с ним магнитно. Вместо этого энергия РЧ напрямую связана с выходом драйвера в нижнюю часть третьей катушки, заставляя ее «звонить» до очень высоких напряжений. Сочетание драйвера с двумя катушками и резонатора с третьей катушкой добавляет еще одну степень свободы в систему, делая настройку значительно более сложной, чем у системы с двумя катушками. Переходная характеристика для множественных резонансных сетей (подмножеством которых является увеличитель Теслы) была решена только недавно. ^[46] Теперь известно, что доступно множество полезных «режимов» настройки, и в большинстве рабочих режимов дополнительная катушка будет звонить на другой частоте, чем главный генератор. ^[47]

Первичное переключение

Демонстрация прототипа двойной катушки Теслы в масштабе 1:12 от Nevada Lightning Laboratory на выставке Maker Faire 2008

Современные транзисторные или ламповые катушки Тесла не используют первичный искровой промежуток. Вместо этого транзистор(ы) или вакуумная трубка(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, используя либо одинарную, полумостовую , либо полную мостовую схему транзисторов , МОП-транзисторов или БТИЗ для переключения первичного тока. Ламповые катушки обычно работают с анодным напряжением от 1500 до 6000 вольт, в то время как большинство катушек с искровым промежутком работают с первичным напряжением от 6000 до 25000 вольт. Первичная обмотка традиционной транзисторной катушки Тесла намотана только вокруг нижней части вторичной катушки. Эта конфигурация иллюстрирует работу вторичной обмотки как накачиваемого резонатора. Первичная обмотка «индуцирует» переменное напряжение в самой нижней части вторичной обмотки, обеспечивая регулярные «толчки» (подобно синхронизированным толчкам качелей на детской площадке). Дополнительная энергия передается от первичной обмотки к вторичной индуктивности и емкости верхней нагрузки во время каждого «толчка», и вторичное выходное напряжение нарастает (называется «звоном»). Электронная схема обратной связи обычно используется для адаптивной синхронизации первичного генератора с растущим резонансом во вторичной обмотке, и это единственное соображение по настройке, помимо первоначального выбора разумной верхней нагрузки.

В двойной резонансной твердотельной катушке Тесла (DRSSTC) электронное переключение твердотельной катушки Тесла объединено с резонансной первичной цепью искровой катушки Тесла. Резонансная первичная цепь образована путем последовательного соединения конденсатора с первичной обмоткой катушки, так что комбинация образует последовательный контур с резонансной частотой, близкой к частоте вторичной цепи. Из-за дополнительного резонансного контура необходимы одна ручная и одна адаптивная настройка. Кроме того, прерыватель обычно используется для уменьшения рабочего цикла моста переключения, чтобы улучшить возможности пиковой мощности; аналогично, IGBT более популярны в этом приложении, чем биполярные переходные транзисторы или MOSFET, из-за их превосходных характеристик управляющей мощности. Схема ограничения тока обычно используется для ограничения максимального тока первичной емкости (который должен переключаться IGBT) до безопасного уровня. Производительность DRSSTC может быть сопоставима с катушкой Тесла с искровым зазором средней мощности, а эффективность (измеренная длиной искры в зависимости от входной мощности) может быть значительно выше, чем у катушки Тесла с искровым зазором, работающей при той же входной мощности.

Практические аспекты дизайна

Производство высокого напряжения

Схемы катушки Тесла

Большая катушка Тесла более современной конструкции часто работает на очень высоких уровнях пиковой мощности, до многих мегаватт (миллионы ватт , что эквивалентно тысячам лошадиных сил ). Поэтому ее настраивают и эксплуатируют осторожно, не только для эффективности и экономии, но и для безопасности. Если из-за неправильной настройки точка максимального напряжения оказывается ниже клеммы, вдоль вторичной катушки, может вспыхнуть разряд ( искра ) и повредить или разрушить провод катушки, опоры или близлежащие предметы.

Тесла экспериментировал с этими и многими другими конфигурациями цепей (см. справа). Первичная обмотка катушки Тесла, искровой промежуток и накопительный конденсатор соединены последовательно. В каждой цепи трансформатор переменного тока заряжает накопительный конденсатор до тех пор, пока его напряжение не станет достаточным для пробоя искрового промежутка. Зазор внезапно срабатывает, позволяя заряженному накопительному конденсатору разрядиться в первичную обмотку. После срабатывания промежутка электрическое поведение любой цепи идентично. Эксперименты показали, что ни одна из цепей не дает заметного преимущества в производительности по сравнению с другой.

Однако в типичной схеме короткозамыкающее действие искрового промежутка предотвращает «обратное» высокочастотное колебание в трансформатор питания. В альтернативной схеме высокочастотные колебания высокой амплитуды, которые возникают на конденсаторе, также применяются к обмотке трансформатора питания. Это может вызвать коронные разряды между витками, которые ослабляют и в конечном итоге разрушают изоляцию трансформатора. Опытные строители катушек Тесла почти исключительно используют верхнюю схему, часто дополняя ее фильтрами нижних частот (резисторно-конденсаторными (RC) цепями) между трансформатором питания и искровым промежутком, чтобы помочь защитить трансформатор питания. Это особенно важно при использовании трансформаторов с хрупкими высоковольтными обмотками, такими как трансформаторы неоновых вывесок (NST). Независимо от используемой конфигурации, высоковольтный трансформатор должен быть такого типа, который самостоятельно ограничивает свой вторичный ток с помощью внутренней индуктивности короткого замыкания . Обычный (с низкой индуктивностью короткого замыкания) высоковольтный трансформатор должен использовать внешний ограничитель (иногда называемый балластом) для ограничения тока. NST спроектированы так, чтобы иметь высокую индуктивность короткого замыкания, чтобы ограничить ток короткого замыкания до безопасного уровня.

Настройка

Резонансная частота первичной катушки настраивается на частоту вторичной, используя маломощные колебания, затем увеличивая мощность (и перенастраивая при необходимости) до тех пор, пока система не заработает должным образом на максимальной мощности. Во время настройки к верхнему выводу часто добавляется небольшой выступ (называемый «выступом прорыва»), чтобы стимулировать коронные и искровые разряды (иногда называемые стримерами) в окружающий воздух. Затем настройку можно отрегулировать так, чтобы получить самые длинные стримеры при заданном уровне мощности, соответствующие частотному соответствию между первичной и вторичной катушками. Емкостная «нагрузка» стримерами имеет тенденцию снижать резонансную частоту катушки Тесла, работающей на полной мощности. Тороидальная верхняя нагрузка часто предпочтительнее других форм, таких как сфера. Тороид с большим диаметром, который намного больше вторичного диаметра, обеспечивает улучшенное формирование электрического поля на верхней нагрузке. Это обеспечивает лучшую защиту вторичной обмотки (от повреждающих ударов стримера), чем сфера аналогичного диаметра. И тороид допускает довольно независимое управление емкостью верхней нагрузки в зависимости от напряжения пробоя искры. Емкость тороида в основном является функцией его большего диаметра, в то время как напряжение пробоя искры в основном является функцией его меньшего диаметра. Иногда для облегчения начальной настройки и помощи в проектировании используется генератор с решеточным провалом (GDO). Резонансную частоту вторичной обмотки может быть трудно определить, за исключением использования GDO или другого экспериментального метода, тогда как физические свойства первичной обмотки более точно представляют сосредоточенные приближения конструкции ВЧ-контура. В этой схеме вторичная обмотка строится несколько произвольно в подражание другим успешным конструкциям или полностью так, имея под рукой расходные материалы, ее резонансная частота измеряется, а первичная обмотка проектируется в соответствии с ней.

Воздушные разряды

Небольшая катушка Тесла более позднего типа в действии: выход дает искры длиной 43 см (17 дюймов). Диаметр вторичной обмотки составляет 8 см (3,1 дюйма). Источником питания является источник питания с ограничением тока 10 000 В, 60 Гц .

В катушках, которые производят воздушные разряды, например, те, что построены для развлечений, 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 конденсатора , за исключением того, что катушка Тесла использует переменный ток вместо постоянного. Ток, который возникает при смещении зарядов внутри конденсатора, называется током смещения . Разряды катушки Тесла образуются в результате токов смещения, когда импульсы электрического заряда быстро переносятся между высоковольтным тороидом и близлежащими областями в воздухе (называемыми областями пространственного заряда ). Хотя области пространственного заряда вокруг тороида невидимы, они играют важную роль в появлении и местоположении разрядов катушки Тесла.

Когда искровой промежуток срабатывает, заряженный конденсатор разряжается в первичную обмотку, заставляя первичную цепь колебаться. Колеблющийся первичный ток создает колебательное магнитное поле, которое соединяется со вторичной обмоткой, передавая энергию во вторичную сторону трансформатора и заставляя ее колебаться с емкостью тороида относительно земли. Передача энергии происходит в течение ряда циклов, пока большая часть энергии, которая изначально была в первичной стороне, не будет передана во вторичную сторону. Чем больше магнитная связь между обмотками, тем короче время, необходимое для завершения передачи энергии. По мере накопления энергии в колеблющейся вторичной цепи амплитуда ВЧ-напряжения тороида быстро увеличивается, и воздух, окружающий тороид, начинает подвергаться диэлектрическому пробою , образуя коронный разряд.

По мере того, как энергия вторичной катушки (и выходное напряжение) продолжают увеличиваться, более крупные импульсы тока смещения еще больше ионизируют и нагревают воздух в точке первоначального пробоя. Это формирует очень электропроводящий «корень» более горячей плазмы , называемый лидером , который выступает наружу из тороида. Плазма внутри лидера значительно горячее, чем коронный разряд, и значительно более проводящая. Фактически, ее свойства похожи на электрическую дугу . Лидер сужается и разветвляется на тысячи более тонких, более холодных, похожих на волосы разрядов (называемых стримерами). Стримеры выглядят как голубоватая «дымка» на концах более светящихся лидеров. Стримеры переносят заряд между лидерами и тороидом в близлежащие области пространственного заряда. Токи смещения от бесчисленных стримеров все питают лидера, помогая поддерживать его горячим и электропроводным.

Первичная скорость разрыва искровых катушек Тесла медленнее по сравнению с резонансной частотой сборки резонатора-верхней нагрузки. Когда переключатель замыкается, энергия передается из первичной LC-цепи в резонатор, где напряжение нарастает в течение короткого периода времени, достигая кульминации в электрическом разряде. В искровом разряднике катушки Тесла процесс передачи первичной энергии во вторичную происходит повторно с типичной частотой импульсов 50–500 раз в секунду, в зависимости от частоты входного напряжения линии. При таких скоростях ранее сформированные каналы лидера не получают возможности полностью остыть между импульсами. Таким образом, при последовательных импульсах новые разряды могут образовываться на горячих путях, оставленных их предшественниками. Это вызывает постепенный рост лидера от одного импульса к другому, удлиняя весь разряд при каждом последующем импульсе. Повторяющаяся импульсация заставляет разряды расти 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). В этот момент достигается динамическое равновесие , и разряды достигают максимальной длины для уровня выходной мощности катушки Тесла. Уникальное сочетание восходящей высоковольтной радиочастотной огибающей и повторяющейся пульсации, по-видимому, идеально подходит для создания длинных, разветвленных разрядов, которые значительно длиннее, чем можно было бы ожидать только по соображениям выходного напряжения. Высоковольтные низкоэнергетические разряды создают нитевидные многоветвистые разряды пурпурно-голубого цвета. Высоковольтные высокоэнергетические разряды создают более толстые разряды с меньшим количеством ответвлений, бледные и светящиеся, почти белые, и намного длиннее низкоэнергетических разрядов из-за повышенной ионизации. В этой области будет ощущаться сильный запах озона и оксидов азота. Важными факторами для максимальной длины разряда, по-видимому, являются напряжение, энергия и неподвижный воздух низкой или умеренной влажности. Существует сравнительно мало научных исследований, посвященных возникновению и развитию импульсных низкочастотных радиочастотных разрядов, поэтому некоторые аспекты воздушных разрядов в катушке Тесла изучены не так хорошо по сравнению с разрядами постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, высоковольтных импульсов и грозовыми разрядами.

Приложения

Сегодня, хотя небольшие катушки Тесла используются в качестве детекторов утечек в научных высоковакуумных системах ^[5] и воспламенителей в дуговых сварочных аппаратах ^[48] , их основное применение — развлекательные и образовательные демонстрации.

Образование и развлечения

Скульптура Электрум , крупнейшая в мире катушка Теслы. Строитель Эрик Орр виден сидящим внутри полого сферического высоковольтного электрода.

Катушки Теслы выставляются в качестве достопримечательностей в научных музеях и на выставках электроники, а также используются для демонстрации принципов высокочастотного электричества на уроках естествознания в школах и колледжах. ^[49]

Поскольку они достаточно просты в изготовлении для любителя, катушки Тесла являются популярным проектом студенческой научной ярмарки и изготавливаются в домашних условиях большим мировым сообществом любителей. Строители катушек Тесла в качестве хобби называются «намотчиками». Они посещают «намоточные» конвенции, где демонстрируют свои самодельные катушки Тесла и другие высоковольтные устройства. Маломощные катушки Тесла также иногда используются в качестве источника высокого напряжения для фотографии Кирлиана .

Самая большая в мире катушка Тесла — это 130 000-ваттный агрегат, построенный Грегом Лейхом и Эриком Орром , часть скульптуры высотой 38 футов (12 м) под названием Electrum, принадлежащей Алану Гиббсу и в настоящее время находящейся в частном парке скульптур в Какануи-Пойнт недалеко от Окленда , Новая Зеландия. ^{[50] [51]} Другая очень большая катушка Тесла, спроектированная и построенная Сидом Клинге, ежегодно демонстрируется на фестивале музыки и искусств в долине Коачелла в Коачелле, Калифорния. ^{[ требуется ссылка ]}

Катушки Тесла также могут использоваться для генерации звуков, включая музыку, путем модуляции эффективной «скорости прерывания» системы (т. е. скорости и продолжительности мощных радиочастотных импульсов) с помощью данных MIDI и блока управления. Фактические данные MIDI интерпретируются микроконтроллером, который преобразует данные MIDI в выходной сигнал ШИМ , который может быть отправлен на катушку Тесла через оптоволоконный интерфейс. Обширный музыкальный концерт на открытом воздухе продемонстрировал использование катушек Тесла во время Engineering Open House (EOH) в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне . Исландская певица Бьорк использовала катушку Тесла в своей песне «Thunderbolt» в качестве основного инструмента в песне. Музыкальная группа ArcAttack использует модулированные катушки Тесла и человека в костюме из цепей для воспроизведения музыки.

Детекторы утечек вакуумной системы

Ученые, работающие с высоковакуумными системами, проверяют наличие крошечных точечных отверстий в аппарате (особенно в недавно выдутом стеклянном изделии) с помощью высоковольтных разрядов, создаваемых небольшой ручной катушкой Тесла. Когда система вакуумируется, высоковольтный электрод катушки перемещается по внешней стороне аппарата. При низком давлении воздух легче ионизируется и, таким образом, проводит электричество лучше, чем воздух при атмосферном давлении. Поэтому разряд проходит через любое точечное отверстие непосредственно под ним, создавая коронный разряд внутри вакуумированного пространства, который освещает отверстие, указывая точки, которые необходимо отжечь или повторно выдуть, прежде чем их можно будет использовать в эксперименте.

Теслафорез

В 2016 году ученые из Университета Райса использовали поле катушки Теслы для удаленного выравнивания крошечных углеродных нанотрубок в цепь; этот процесс они назвали «теслафорезом». ^{[52] [53]}

Проблемы со здоровьем

Мальчик допускает, чтобы дуга от катушки Теслы ударила в руку.

Высоковольтные радиочастотные (РЧ) разряды с выходного терминала катушки Тесла представляют уникальную опасность, не встречающуюся в другом высоковольтном оборудовании: при прохождении через тело они часто не вызывают болезненных ощущений и сокращений мышц , как при низкочастотном переменном или постоянном токе. [ ^{54] [9] [55] [56]} Нервная система нечувствительна к токам с частотами более 10–20 кГц. ^[57] Считается, что причина этого в том, что определенное минимальное количество ионов должно быть перемещено через мембрану нервной клетки приложенным напряжением, чтобы вызвать деполяризацию нервной клетки и передачу импульса. На радиочастотах недостаточно времени в течение полупериода для того, чтобы достаточное количество ионов пересекло мембрану, прежде чем переменное напряжение изменит полярность. ^[57] Опасность заключается в том, что, поскольку боль не ощущается, экспериментаторы часто предполагают, что токи безвредны. Учителя и любители, демонстрирующие небольшие катушки Теслы, часто производят впечатление на свою аудиторию, прикасаясь к высоковольтному выводу или позволяя дугам стримера проходить через свое тело. ^{[58] [59] [9]}

Если дуги от высоковольтного терминала попадают на голую кожу, они могут вызвать глубокие ожоги, называемые радиочастотными ожогами . ^{[60] [61]} Этого часто избегают, позволяя дугам поражать кусок металла, удерживаемый в руке, или напёрсток на пальце. Ток проходит от металла в руку человека через достаточно широкую поверхность, чтобы не вызывать ожогов. ^[9] Часто никаких ощущений не ощущается, или ощущается только тепло или покалывание.

Однако это не означает, что ток безвреден. ^[62] Даже небольшая катушка Тесла вырабатывает во много раз больше электрической энергии, необходимой для остановки сердца, если частота окажется достаточно низкой, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков . ^{[63] [64]} Незначительная неправильная настройка катушки может привести к поражению электрическим током . Кроме того, радиочастотный ток нагревает ткани, через которые он проходит. Тщательно контролируемые токи катушки Тесла, подаваемые непосредственно на кожу с помощью электродов, использовались в начале 20-го века для глубокого нагрева тканей тела в медицинской области длинноволновой диатермии . ^[55] Количество 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. ^[56] В частности, если он проходит через узкие структуры, такие как кровеносные сосуды или суставы, он может повысить локальную температуру тканей до гипертермического уровня, «поджаривая» внутренние органы или вызывая другие травмы. Международные стандарты безопасности ICNIRP 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 мощности (SAR) в тканях 4 Вт/кг в конечностях и 0,8 Вт/кг в среднем по телу. ^[65] Даже маломощные катушки Тесла могут превышать эти пределы, и, как правило, невозможно определить пороговый ток, при котором начинается телесное повреждение. Поражение дугами от мощной (> 1000 Вт) катушки Тесла, скорее всего, будет смертельным.

Другая сообщаемая опасность этой практики заключается в том, что дуги от высоковольтного терминала часто поражают первичную обмотку катушки. ^{[54] [62]} Это на мгновение создает проводящий путь для смертельного первичного тока 50 или 60 Гц от трансформатора питания, чтобы достичь выходного терминала. Если человек подключен к выходному терминалу в это время, либо касаясь его, либо позволяя дугам от терминала поразить тело человека, то высокий первичный ток может пройти через проводящий ионизированный воздушный путь, через тело к земле, вызывая поражение электрическим током.

Миф о скин-эффекте

Ошибочное объяснение отсутствия электрического удара, которое сохранилось среди любителей катушек Тесла, заключается 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 кожным эффектом . ^{[63] [9] [66] [67]}

Эта теория ложна. ^{[68] [69] [70] [54] [64] [71]} Радиочастотный ток имеет тенденцию течь по поверхности проводников из-за скин-эффекта, но глубина, на которую он проникает, называемая глубиной скин-слоя , зависит от удельного сопротивления и проницаемости материала, а также от частоты . ^{[72] [73]} Хотя скин-эффект ограничивает токи частот катушки Тесла внешней долей миллиметра в металлических проводниках, глубина скин-слоя тока в тканях тела намного глубже из-за его более высокого удельного сопротивления. Глубина проникновения токов частоты Тесла (0,1–1 МГц) в ткани человека составляет примерно 24–72 сантиметра (9–28 дюймов). ^{[73] [72] [54]} Поскольку даже самые глубокие ткани находятся ближе к поверхности, скин-эффект мало влияет на путь тока через тело; ^[71] он имеет тенденцию выбирать путь минимального электрического сопротивления к земле и может легко проходить через ядро ​​тела. ^{[74] [54] [73]} В медицинской терапии, называемой длинноволновой диатермией , тщательно контролируемый радиочастотный ток с частотами Теслы использовался в течение десятилетий для глубокого прогрева тканей, включая нагревание внутренних органов, таких как легкие. ^{[74] [55]} Современные аппараты для коротковолновой диатермии используют более высокую частоту 27 МГц, что соответственно имеет меньшую глубину проникновения в кожу, однако эти частоты все еще способны проникать в глубокие ткани тела. ^[69]

Связанные патенты

Патенты Теслы

• « Электрический трансформатор или индукционное устройство ». Патент США № 433,702, 5 августа 1890 г. ^[75]
• « Средства для генерации электрических токов », патент США № 514,168, 6 февраля 1894 г.
• « Электрический трансформатор », патент № 593,138, 2 ноября 1897 г.
• « Способ использования лучистой энергии », патент № 685,958 от 5 ноября 1901 г.
• « Способ сигнализации », патент США № 723,188, 17 марта 1903 г.
• « Система сигнализации », патент США № 725,605, 14 апреля 1903 г.
• «Устройство для передачи электрической энергии», 18 января 1902 г., патент США 1,119,732 , 1 декабря 1914 г.

Патенты других

• Дж. С. Стоун, патент США 714,832 , « Устройство для усиления электромагнитных сигналов-волн ». (Подано 23 января 1901 г.; Выдано 2 декабря 1902 г.)
• А. Никль, патент США 2,125,804 , « Антенна ». (Подан 25 мая 1934 г.; Выдан 2 августа 1938 г.)
• Уильям У. Браун, патент США 2,059,186 , « Структура антенны ». (Подана 25 мая 1934 г.; Выдана 27 октября 1936 г.).
• Роберт Б. Дом, патент США 2,101,674 , « Антенна ». (Подан 25 мая 1934 г.; Выдан 7 декабря 1937 г.)
• Армстронг, Э. Х., патент США 1,113,149 , « Беспроводная приемная система ». 1914.
• Армстронг, Э. Х., патент США 1,342,885 , « Способ получения высокочастотных колебаний ». 1922.
• Армстронг, Э. Х., патент США 1,424,065 , « Система сигнализации ». 1922.
• Герхард Фрайхерр Дю Прель, патент США 1,675,882 , « Высокочастотная схема ». (Подан 11 августа 1925 г.; Выдан 3 июля 1928 г.)
• Лейдорф, ГФ, патент США 3,278,937 , « Система связи антенн ближнего поля ». 1966.
• Ван Вурхис, патент США 6 218 998 « Тороидальная спиральная антенна ».
• Джин Кунс, патент США 6,933,819 , « Многочастотный генератор электромагнитного поля ». (Подан 29 октября 2004 г.; Выдан 23 августа 2005 г.)

Смотрите также

• клетка Фарадея
• Генри Лерой Транстром  — американский изобретатель Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва, изобретатель и шоумен, работавший с высоковольтным электричеством.
• Список патентов Николы Теслы
• Катушка Удена  – резонансная трансформаторная схема, изобретенная в 1893 году Полем Мари Уденом.
• Генератор Ван де Граафа
• Беспроводная передача энергии  – передача электроэнергии без физического соединения.

Ссылки

1. Uth, Robert (12 декабря 2000 г.). "Катушка Теслы". Tesla: Master of Lightning . PBS.org . Получено 20 мая 2008 г. .
2. Элдридж, Стивен (7 января 2024 г.). «Катушка Теслы». Encyclopaedia Britannica online . Encyclopaedia Britannica Inc . Получено 10 февраля 2024 г. .
3. Доммермут-Коста, Кэрол (1994). Никола Тесла: Искра гения. Книги двадцать первого века. стр. 75. ISBN 978-0-8225-4920-8.
4. Tilbury, Mitch (2007). The Ultimate Tesla Coil Design and Construction Guide. Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional. стр. 1. ISBN 978-0-07-149737-4.
5. Plesch, PH (2005). Высоковакуумные методы для химического синтеза и измерений. Cambridge University Press. стр. 21. ISBN 978-0-521-67547-5.
6. Цветич, Йован М. (октябрь 2016 г.). «Высоковольтные и высокочастотные генераторы Теслы с колебательными контурами». Сербский журнал электротехники . 13 (3): 301–333. doi : 10.2298/SJEE1603301C . S2CID  55561957.
7. Хаддад, А.; Уорн, Д.Ф. (2004). Достижения в области высоковольтной техники. IET. стр. 605. ISBN 978-0852961582.
8. Найду, М.С.; Камараджу, В. (2013). Высоковольтная техника. Tata McGraw-Hill Education. стр. 167. ISBN 978-1259062896.
9. Sprott, Julien C. (2006). Физические демонстрации: Справочник для учителей физики. Univ. of Wisconsin Press. С. 192–195. ISBN 978-0299215804.
10. Андерсон, Бартон Б. (24 ноября 2000 г.). «Классическая катушка Тесла: резонансный трансформатор с двойной настройкой» (PDF) . Катушки Тесла . Терри Блейк, 3-я веб-страница. Архивировано (PDF) из оригинала 21 мая 2005 г. . Получено 26 июля 2015 г. .
11. Denicolai, Marco (30 мая 2001 г.). Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований (PDF) (диссертация). Диссертация на соискание степени лиценциата. Кафедра электротехники и связи, Хельсинкский технологический университет, Хельсинки, Финляндия. стр. 2–6 . Получено 26 июля 2015 г.
12. Denicolai, 2001, Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований, Гл. 2, стр. 8–10
13. Gerekos, Christopher (2012). The Tesla Coil (PDF) (Thesis). Thesis. Physics Dept., Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium. pp. 20–22. Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2015 г. Получено 27 июля 2015 г., перепечатано на The Zeus Tesla Coil, HazardousPhysics.com
14. Готтлиб, Ирвинг (1998). Практический справочник по трансформаторам: для инженеров по электронике, радио и связи. Newnes. С. 103–114. ISBN 978-0080514567.
15. Бернетт, Ричи (2008). «Работа катушки Теслы». Веб-страница Ричи о катушке Теслы . Частный веб-сайт Ричарда Бернетта . Получено 24 июля 2015 г.
16. Бернетт, Ричи (2008). «Коэффициент связи». Веб-страница Richie's Tesla Coil . Частный веб-сайт Ричарда Бернетта . Получено 4 апреля 2017 г.
17. Burnett, Richie (2008). "Компоненты катушки Теслы, стр. 2". Веб-страница катушки Теслы Ричи . Частный веб-сайт Ричарда Бернетта . Получено 24 июля 2015 г.
18. Gerekos, 2012, The Tesla Coil, стр. 38–42 Архивировано 23 июня 2007 г. на Wayback Machine
19. Gerekos, 2012, The Tesla Coil, стр. 15–18 Архивировано 23 июня 2007 г. на Wayback Machine
20. Gerekos, 2012, The Tesla Coil, стр. 19–20 Архивировано 23 июня 2007 г., на Wayback Machine
21. Denicolai, 2001, Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований, Гл. 3, Сек. 3–5, стр. 22
22. «Катушки Теслы – Часто задаваемые вопросы». Сайт oneTesla . oneTesla Co., Кембридж, Массачусетс. 2012. Получено 2 августа 2015 г.
23. Denicolai, 2001, Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований, Гл. 2, стр. 11–17
24. Gerekos, 2012, The Tesla Coil, стр. 1, 23 Архивировано 23 июня 2007 г. на Wayback Machine
25. Denicolai, 2001, Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований, Гл. 2, стр. 10
26. Патент США № 1119732, Устройство Николы Теслы для передачи электрической энергии , подан 18 января 1902 г.; выдан 1 декабря 1914 г.
27. Sarkar et al. (2006) History of Wireless, стр. 279–280, архив Архивировано 17 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве
28. Рид, Джон Рэндольф (2000). «Проектирование высокоэффективных тройных резонансных трансформаторов Теслы» (PDF) . Кафедра инженерии и компьютерных наук, Университет Центральной Флориды. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. . Получено 2 августа 2015 г. .
29. de Queiroz, ACM (февраль 2002 г.). «Множественные резонансные сети». Труды IEEE по схемам и системам I: фундаментальная теория и приложения . 49 (2): 240–244. doi :10.1109/81.983871.
30. Thomson, Elihu (3 ноября 1899 г.). «Аппарат для получения высоких частот и давлений». The Electrician . 44 (2). Лондон: The Electrician Publishing Co.: 40–41 . Получено 1 мая 2015 г.
31. Strong, Frederick Finch (1908). Высокочастотные токи. Нью-Йорк: Rebman Co., стр. 41–42.
32. Тесла, Никола (29 марта 1899 г.). «Некоторые эксперименты в лаборатории Теслы с токами высокой частоты и давления». Electrical Review . 34 (13). Нью-Йорк: Electrical Review Publishing Co.: 193–197 . Получено 30 ноября 2015 г.
33. Уилер, Л. П. (август 1943 г.). «Вклад Теслы в высокие частоты». Электротехника . 62 (8). IEEE: 355–357. doi : 10.1109/EE.1943.6435874. ISSN  0095-9197. S2CID  51671246.
34. Sarkar, TK ; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A.; et al. (2006). История беспроводной связи (PDF) . John Wiley and Sons. стр. 268–270. ISBN 978-0471783015. Архивировано из оригинала 17 мая 2016 года.
35. Пирс, Джордж Вашингтон (1910). Принципы беспроводной телеграфии. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co., стр. 93–95.
36. Флеминг, Джон Эмброуз (1910). Принципы электроволновой телеграфии и телефонии, 2-е изд. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 581–582.
37. "Трансформатор". Encyclopaedia Britannica, 10-е изд . Том 33. The Encyclopaedia Britannica Co. 1903. стр. 426. Получено 1 мая 2015 г.
38. Бланшар, Джулиан (октябрь 1941 г.). «История электрического резонанса». Bell System Technical Journal . 20 (4). США: American Telephone & Telegraph Co.: 415–433. doi :10.1002/j.1538-7305.1941.tb03608.x. S2CID  51669988. Получено 29 марта 2011 г.
39. Томсон, Элиу (20 февраля 1892 г.). «Индукция разрядами высокого потенциала». Electrical World . 19 (8). Нью-Йорк: WJ Johnson Co.: 116–117 . Получено 21 ноября 2015 г.
40. Томсон, Элиу (апрель 1893 г.). «Высокочастотная электрическая индукция». Technology Quarterly и Proceedings of Society of Arts . 6 (1). Бостон: Массачусетский технологический институт: 50–59 . Получено 22 ноября 2015 г.
41. Томсон, Элиу (23 июля 1906 г.). «Письмо Фредерику Финчу Стронгу». Веб-сайт Музея электротерапии . Джефф Бехари, Беллингхэм, Вашингтон, США. Воспроизведено с разрешения Американского философского общества . Получено 20 августа 2015 г.
42. Denicolai, 2001, Трансформатор Теслы для экспериментов и исследований, Гл. 1, стр. 1–6
43. Патент США № 454,622, Никола Тесла, СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ , подан 25 апреля 1891 г.; выдан 23 июня 1891 г.
44. Мартин, Томас Каммерфорд (1894). Изобретения, исследования и труды Николы Теслы: с особым упором на его работу по многофазным токам и высокопотенциальному освещению, 2-е изд. Инженер-электрик. С. 145–197.
45. Тесла, Никола (2007). Сокровищница Николы Теслы. Wilder Publications. С. 68–107. ISBN 978-1934451892.
46. де Кейрос, Антонио Карлос М. «Обобщенные множественные LC резонансные сети». Международный симпозиум по схемам и системам . 3. IEEE: 519–522.
47. де Кейрос, Антонио Карлос М. "Проектирование усилителя Теслы" . Получено 12 апреля 2015 г.
48. Готтлиб, Ирвинг (1998). Практический справочник по трансформаторам. Newnes. стр. 551. ISBN 978-0080514567.
49. Плес, Марек (14 сентября 2021 г.). «Лабораторные снимки Марека Плеса: миниатюрная твердотельная катушка Тесла». weirdscience.eu . Получено 3 июля 2023 г. .
50. Голдсмит, Пол (2010). Серьёзное веселье: Жизнь и времена Алана Гиббса. Penguin Random House. стр. 219. ISBN 9781869799304.
51. "Lightning On Demand, Brisbane CA". Проект Electrum . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г.
52. «Ученые из Университета Райса делают ключевой шаг к созданию «силового поля». 14 апреля 2016 г.
53. "Теслафорез дает возможность значительно увеличивать силовые поля для перемещения материи на расстоянии - Innovation Toronto". 18 апреля 2016 г.
54. Клюге, Стефан (2009). "Страница безопасности". Страницы о катушках Тесла Стефана . Персональный сайт Стефана Клюге . Получено 6 сентября 2017 г.
55. Kovács (1945) Электротерапия и светотерапия, 5-е изд. , стр. 205–206
56. Mieny, CJ (2003). Принципы ухода за хирургическими пациентами (2-е изд.). New Africa Books. стр. 136. ISBN 9781869280055.
57. Калси, Аман; Балани, Николай (2016). Физика для анестетика Viva. Кембриджский университет. Нажимать. стр. 45–46. ISBN 978-1107498334.
58. Кертис, Томас Стэнли (1916). Высокочастотный аппарат: его конструкция и практическое применение. США: Everyday Mechanics Company. стр. 6.
59. Маршалл, Том (7 мая 2015 г.). «Учитель естественных наук арестован после того, как якобы использовал катушку Теслы для «клеймения» учеников путем прижигания кожи». Evening Standard . Лондон, Великобритания: Evening Standard Ltd. Получено 23 сентября 2017 г.
60. Клипштейн, Дон (2005). «Опасности и безопасность катушек Теслы». Страница Дона, посвященная катушкам Теслы . Персональный веб-сайт Дона Клипштейна . Получено 15 сентября 2017 г.
61. Джонс, Грэм А.; Лайер, Дэвид Х.; Озенковски, Томас Г. (2013). Справочник инженеров Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд. Тейлор и Фрэнсис. стр. 357. ISBN 978-1136034091.
62. Atkinson, Chip; Phillips, Ed; Rzeszotarski, Mark S.; Stephens, RW (4 августа 1996 г.). "Информация о безопасности катушек Теслы". Классический Тесла . Персональный сайт Барта Андерсона . Получено 13 сентября 2017 г.
63. Tilbury, Mitch (2007) Полное руководство по проектированию и строительству катушек Тесла , стр. 4
64. Cooper, W. Fordham (2013). Техника электробезопасности, 3-е изд. Butterworth-Heinemann. стр. 57. ISBN 978-1483161495.
65. Николетсеас, Сотирис; Ян, Юаньюань; Георгиадис, Апостолос (2016). Алгоритмы, технологии и приложения беспроводной передачи энергии в сетях связи Ad Hoc. Springer. С. 166–167. ISBN 978-3319468105.
66. Робберсон, Элберт (август 1954 г.). «Как построить катушку Тесла». Popular Science . 165 (2). Нью-Йорк: The Popular Science Publishing Co.: 192.
67. Сарвате, В. В. (1993). Электромагнитные поля и волны. New Age International, Ltd. стр. 305. ISBN 978-8122404685.
68. Сабертон, Клод (1920). Диатермия в медицинской и хирургической практике. PB Hoeber Co., стр. 23–24.
69. Beatty, William J. (2012). «Скин-эффект защищает нас от ударов катушек Теслы?». Развенчание некоторых мифов о Тесле . Веб-страница Science Hobbyist . Получено 15 сентября 2017 г.
70. Стронг, Фредерик Финч (1908) Высокочастотные токи , стр. 222–223.
71. " Очевидно, что скин-эффект становится существенным для людей... на частотах выше 10 МГц. " Барнс, Фрэнк С.; Гринебаум, Бен (2006). Биологические и медицинские аспекты электромагнитных полей. CRC Press. стр. xix. ISBN 978-1420009460.
72. Элдер, Джо Аллен; Кэхилл, Дэниел Ф. (1984). Биологические эффекты радиочастотного излучения. Агентство по охране окружающей среды США. С. 3.15–3.16.
73. Saslow, Wayne M. (2002). Электричество, магнетизм и свет. Academic Press. стр. 620. ISBN 978-0-08-050521-3.
74. Christie, RV; Binger, Cal (октябрь 1927 г.). «Экспериментальное исследование диатермии: IV. Доказательства проникновения высокочастотных токов через живое тело». Журнал экспериментальной медицины . 46 (5): 715–734. doi :10.1084/jem.46.5.715. PMC 2131316. PMID  19869368 . 
75. Саркар, TK ; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А .; и др. (2006). История беспроводной связи. John Wiley & Sons. стр. 286, 84. ISBN 978-0-471-78301-5., архив Архивировано 17 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве

Дальнейшее чтение

Эксплуатация и другая информация

• Армагнат, Х. и Кеньон, О. А. (1908). Теория, проектирование и строительство индукционных катушек . Нью-Йорк: McGraw.
• Халлер, ГФ и Каннингем, Э. Т. (1910). Высокочастотная катушка Теслы, ее конструкция и применение . Нью-Йорк: D. Van Nostrand Co.
• Iannini, RE (2003). Электронные гаджеты для злого гения: 21 проект «сделай сам» . TAB electronics. Нью-Йорк: McGraw-Hill. Страницы 137–202.
• Корум, Кеннет Л. и Джеймс Ф. « Катушки Теслы и провал теории цепей с сосредоточенными элементами »
• Николсон, Пол, « Проект моделирования вторичной обмотки Теслы » (Современное состояние дел в области строгого описания поведения вторичной обмотки Теслы посредством теоретического анализа, моделирования и проверки результатов на практике)
• Вуйович, Любо, « Катушка Теслы ». Мемориальное общество Теслы в Нью-Йорке.
• Хикман, Берт, « Информационный центр по катушкам Тесла »
• Купер, Джон Ф., « Схема цепи усилительного передатчика раннего типа; Схема цепи более позднего типа ». Tesla-Coil.com

Электрический Мир

• «Разработка высокочастотных токов для практического применения». Электрический мир . Т. 32, № 8.
• «Безграничное пространство: шина». Электрический мир . Т. 32, № 19.

Другие публикации

• Каллен, АЛ; Добсон, Дж. (1963). «Коронный пробой антенн в воздухе при низком давлении». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки . 271 (1347): 551–564. Bibcode : 1963RSPSA.271..551C. doi : 10.1098/rspa.1963.0035. S2CID  109593995.
• Бениосек, Ф. М. (1990). « Тройной резонансный импульсный трансформаторный контур ». Обзор научных приборов . 61 (6): 1717–1719. Bibcode : 1990RScI...61.1717B. doi : 10.1063/1.1141138.
• Корум, Дж. Ф. и К. Л. Корум, « РЧ-катушки, спиральные резонаторы и усиление напряжения с помощью когерентных пространственных мод ». IEEE, 2001.
• де Кейрос, Антонио Карлос М., « Синтез множественных резонансных сетей ». Федеральный университет Рио-де-Жанейро, Бразилия. ЭЭ/КОПЕ.
• Галлер, Джордж Фрэнсис и Элмер Тилинг Каннингем, « Высокочастотная катушка Теслы, ее конструкция и применение ». Нью-Йорк, компания D. Van Nostrand, 1910.
• Хартли, Р. В. Л. (1936). «Колебания с нелинейными реактивностями». Bell System Technical Journal . 15 (3): 424–440. doi :10.1002/j.1538-7305.1936.tb03559.x.
• Норри, Х.С., « Индукционные катушки: как их изготавливать, использовать и ремонтировать ». Норман Х. Шнайдер, 1907, Нью-Йорк. 4-е издание.
• Рид, Дж. Л. (1988). «Большее усиление напряжения для трансформаторных ускорителей Теслы». Обзор научных приборов . 59 (10): 2300. Bibcode : 1988RScI...59.2300R. doi : 10.1063/1.1139953.
• Рид, Дж. Л. (2012). «Затухание трансформатора Теслы». Обзор научных приборов . 83 (7): 076101–076101–3. Bibcode : 2012RScI...83g6101R. doi : 10.1063/1.4732811. PMID  22852736.
• Рид, Дж. Л. (2015). "Трансформатор Тесла с проводимостью". Обзор научных приборов . 86 (3): 035113. Bibcode : 2015RScI...86c5113R. doi : 10.1063/1.4915940 . PMID  25832281.
• Рид, Дж. Л., «Настройка импульсного трансформатора Тесла с тройным резонансом»
• Кертис, Томас Стэнли, Высокочастотный аппарат: его конструкция и практическое применение . Everyday Mechanics Co., 1916.
• многочисленные академические публикации IEEE [1]

Внешние ссылки

• Катушка Тесла в Керли