Катушка Теслы

Схема электрического резонансного трансформатора, изобретенная Николой Теслой

Катушка Теслы — это схема электрического резонансного трансформатора , разработанная изобретателем Николой Теслой в 1891 году. ^[1] Она используется для производства электроэнергии 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 высокочастотного переменного тока , электротерапии и передачи электрической энергии без проводов . Цепи катушки Тесла использовались в коммерческих целях в искровых радиопередатчиках для беспроводной телеграфии до 1920-х годов, ^{[1] [4]} и в медицинском оборудовании, таком как электротерапия и устройства фиолетового луча . Сегодня их в основном используют для развлекательных и образовательных дисплеев, хотя небольшие катушки по-прежнему используются в качестве детекторов утечек в системах высокого вакуума. ^{[5] [6]}

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

Операция

Самодельная катушка Теслы в работе: видны щеточные разряды на тороиде. Сильное электрическое поле заставляет воздух вокруг высоковольтной клеммы ионизировать и проводить электричество, позволяя электричеству просачиваться в воздух в виде цветных коронных разрядов , щеточных разрядов и стримерных дуг . Катушки Теслы используются для развлечений в научных музеях и общественных мероприятиях, а также для создания спецэффектов в кино и на телевидении.

Схема униполярной катушки Теслы. C2 не является реальным конденсатором , но представляет собой емкость вторичной обмотки L2 плюс емкость относительно земли тороидального электрода E.

Катушка Теслы — это радиочастотный генератор , который приводит в действие резонансный трансформатор с воздушным сердечником двойной настройки для создания высокого напряжения при малых токах. ^{[4] [7] [8] [9] [10] [11]} Оригинальные схемы Теслы и большинство современных катушек используют простой искровой разрядник для возбуждения колебаний в настроенном трансформаторе. В более сложных конструкциях для управления резонансным трансформатором используются транзисторные или тиристорные ^[7] переключатели или электронные генераторы на электронных лампах .

Катушки Теслы могут производить выходное напряжение от 50  киловольт до нескольких миллионов вольт для больших катушек. ^{[7] [9] [11]} Выходной переменный ток находится в низкочастотном диапазоне радиочастот , обычно между 50 кГц и 1 МГц. ^{[9] [11]} Хотя некоторые катушки с генераторным управлением генерируют непрерывный переменный ток , большинство катушек Теслы имеют импульсный выходной сигнал; ^[7] Высокое напряжение состоит из быстрой последовательности импульсов переменного тока радиочастоты.

Общая схема катушки Теслы с искровым возбуждением, показанная ниже, состоит из следующих компонентов: ^{[8] [12]}

• Высоковольтный питающий трансформатор (Т) для повышения напряжения сети переменного тока до уровня, достаточного для скачка искрового разрядника. Типичные напряжения составляют от 5 до 30 киловольт (кВ). ^[12]
• Конденсатор (С1) , образующий настроенную цепь с первичной обмоткой L1 трансформатора Тесла .
• Искровой разрядник ( ИС) , выполняющий роль переключателя в первичной цепи.
• Катушка Теслы (L1, L2) — резонансный трансформатор с воздушным сердечником двойной настройки , который генерирует высокое выходное напряжение.
• Опционально к вторичному выводу катушки крепится емкостный электрод (верхняя нагрузка) (Е) в виде гладкого металлического шара или тора . Его большая площадь поверхности подавляет преждевременный пробой воздуха и дуговые разряды, увеличивая добротность и выходное напряжение.

Резонансный трансформатор

Специализированный трансформатор, используемый в цепи катушки Теслы (L1,L2) , называемый резонансным трансформатором , колебательным трансформатором или радиочастотным (РЧ) трансформатором, функционирует иначе, чем обычные трансформаторы, используемые в цепях питания переменного тока. ^{[13] [14] [15]} В то время как обычный трансформатор предназначен для эффективной передачи энергии от первичной обмотки к вторичной, резонансный трансформатор также предназначен для временного хранения электрической энергии. Каждая обмотка имеет емкость и функционирует как LC-контур (резонансный контур, настроенный контур ), сохраняя колеблющуюся электрическую энергию, аналогично тому, как камертон хранит колебательную механическую энергию. Первичная катушка (L1) , состоящая из относительно небольшого количества витков толстого медного провода или трубки, соединена с конденсатором (C1) через искровой промежуток (SG) . ^{[7] [8]} Вторичная катушка (L2) состоит из множества витков (от сотен до тысяч) тонкой проволоки в полой цилиндрической форме внутри первичной обмотки. Вторичная обмотка не подключена к реальному конденсатору, но она также функционирует как LC-цепь, индуктивность (L2) резонирует с паразитной емкостью (C2) , суммой паразитной емкости между обмотками катушки и емкостью тороидального металлического электрода , прикрепленного к высоковольтной клемме. Первичный и вторичный контуры настроены так, что имеют одинаковую резонансную частоту ^[6] , поэтому они обмениваются энергией, действуя как связанный генератор ; во время каждой искры накопленная энергия быстро колеблется между первичной и вторичной обмотками.

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

• Обычные силовые трансформаторы имеют железный сердечник для усиления магнитной связи между катушками. Однако на высоких частотах железный сердечник вызывает потери энергии из-за вихревых токов и гистерезиса , поэтому в катушке Теслы он не используется. ^[15]
• Обычные трансформаторы спроектированы так, чтобы быть «плотно связанными». И первичная, и вторичная обмотки плотно намотаны на железный сердечник. 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 Тесла, напротив, «слабо связан», ^{[7] [15]} первичная обмотка больше в диаметре и расположена на расстоянии от вторичной, ^[8] поэтому взаимная индуктивность ниже, а коэффициент связи составляет всего 0,05–0,2. ^{[16] [9]} Это означает, что только от 5% до 20% магнитного поля первичной катушки проходит через вторичную обмотку, когда она разомкнута. ^{[7] [12]} Слабая связь замедляет обмен энергией между первичной и вторичной катушками, что позволяет энергии колебаний оставаться во вторичной цепи дольше, прежде чем она вернется в первичную цепь и начнет рассеиваться в искре.
• Каждая обмотка также ограничена одним слоем провода, что снижает потери из-за эффекта близости . Первичная обмотка пропускает очень большие токи. Поскольку высокочастотный ток в основном течет по поверхности проводников из-за скин-эффекта , его часто изготавливают из медной трубки или полосы с большой площадью поверхности для уменьшения сопротивления, а его витки разнесены друг от друга, что снижает потери на эффекте близости и искрение между поворачивается. ^{[17] [18]}

Выходная цепь может иметь две формы:

• Униполярный : один конец вторичной обмотки подключен к одной высоковольтной клемме, другой конец заземлен . Этот тип используется в современных катушках, предназначенных для развлечений. Первичная обмотка расположена вблизи нижнего конца вторичной обмотки с низким потенциалом, чтобы минимизировать возникновение дуги между обмотками. Поскольку земля (Земля) служит обратным путем для высокого напряжения, стримерные дуги от клеммы имеют тенденцию перескакивать на любой близлежащий заземленный объект.
• Биполярный : ни один конец вторичной обмотки не заземлен, и оба выведены на высоковольтные клеммы. Первичная обмотка расположена в центре вторичной катушки, на равном расстоянии между двумя клеммами с высоким потенциалом, чтобы предотвратить искрение.

Рабочий цикл

Схема работает в быстро повторяющемся цикле, в котором питающий трансформатор (Т) заряжает первичный конденсатор (С1) , который затем разряжается искрой через искровой промежуток, создавая в первичной цепи короткий импульс колебательного тока, который возбуждает высокое колебательное напряжение на 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), возникает 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 обкладками 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) в соответствии с законом индукции Фарадея . За несколько циклов энергия первичной цепи передается вторичной. Полная энергия в настроенных цепях ограничена энергией, первоначально запасенной в конденсаторе C1 , поэтому по мере увеличения амплитуды колебательного напряжения во вторичной обмотке («звонок вверх») колебания в первичной обмотке уменьшаются до нуля. Хотя концы вторичной катушки разомкнуты, она также действует как настроенная цепь благодаря емкости ( C2) , сумме паразитной емкости между витками катушки плюс емкости тороидального электрода E. Ток быстро течет взад и вперед через вторичную катушку между ее концами. Из-за небольшой емкости колебательное напряжение на вторичной обмотке, которое появляется на выходной клемме, намного превышает первичное напряжение.
4. Вторичный ток создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение обратно в первичную катушку, и в течение ряда дополнительных циклов энергия передается обратно в первичную обмотку, вызывая уменьшение колебательного напряжения во вторичной обмотке («звонок 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 тока через искровой промежуток уже недостаточно для поддержания ионизации воздуха в зазоре, искра прекращается («гасит»), прекращая ток в первичной цепи. Колебательный ток во вторичной обмотке 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 на искровом промежутке создает импульс затухающего синусоидального высокого напряжения на выходной клемме катушки. Каждый импульс затухает до возникновения следующей искры, поэтому катушка генерирует цепочку затухающих волн , а не непрерывное синусоидальное напряжение. ^[10] Высокое напряжение питающего трансформатора, заряжающего конденсатор, представляет собой синусоидальную волну частотой 50 или 60 Гц . В зависимости от того, как установлен разрядник, обычно в пике каждого полупериода сетевого тока возникает одна или две искры, поэтому в секунду возникает более ста искр. Таким образом, искра в искровом промежутке кажется непрерывной, как и высоковольтные стримеры на вершине катушки.

Вторичная обмотка питающего трансформатора (Т) подключена параллельно первичной настроенной цепи. Может показаться, что трансформатор будет местом утечки радиочастотного тока, гасящим колебания. Однако его большая индуктивность обеспечивает очень высокий импеданс на резонансной частоте, поэтому он действует как разомкнутая цепь для колебательного тока. Если питающий трансформатор имеет недостаточную индуктивность короткого замыкания , на его вторичных проводах устанавливаются радиочастотные дроссели для блокировки радиочастотного тока.

Частота колебаний

Для получения максимального выходного напряжения первичная и вторичная настроенные цепи настраиваются в резонанс друг с другом. ^{[9] [10] [13]} Резонансные частоты первичного и вторичного контуров и определяются индуктивностью и емкостью в каждом контуре: ^{[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 первичная цепь настраивается, обычно с помощью подвижного отвода на первичной катушке L ₁ , пока она 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, условием резонанса между первичной и вторичной обмотками является:

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

Резонансная частота катушек Теслы находится в диапазоне низких радиочастот (РЧ), обычно от 50 кГц до 1 МГц. Однако из-за импульсивного характера искры они создают широкополосный радиошум и без экранирования могут стать значительным источником радиочастотных помех , мешая близлежащему радио- и телевизионному приему.

Выходное напряжение

Большая катушка, создающая стримерные дуги длиной 3,5 метра (10 футов), что указывает на потенциал в миллионы вольт.

В резонансном трансформаторе высокое напряжение создается за счет резонанса; выходное напряжение не пропорционально коэффициенту трансформации, как в обычном трансформаторе. ^{[15] [20]} Его можно приблизительно рассчитать из закона сохранения энергии . В начале цикла, когда возникает искра, вся энергия первичной цепи сохраняется в первичном конденсаторе . Если напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка, которое обычно близко к пиковому выходному напряжению питающего трансформатора Т , то эта энергия равна ${\displaystyle W_{1}}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle V_{1}}$

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

При «прозвонке» эта энергия передается во вторичную цепь. Хотя некоторая часть энергии теряется в виде тепла в искре и других сопротивлениях, в современных катушках более 85% энергии попадает во вторичную обмотку. ^[10] На пике ( ) вторичного синусоидального напряжения вся энергия вторичной обмотки сохраняется в емкости между концами вторичной обмотки. ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle W_{2}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

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

Предполагая отсутствие потерь энергии, . Подставив в это уравнение и упростив, пиковое вторичное напряжение составит ^{[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 получена из первой с использованием условия резонанса . ^[15] Поскольку емкость вторичной обмотки очень мала по сравнению с емкостью первичного конденсатора, первичное напряжение повышается до высокого значения. ^[10] ${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$

Вышеуказанное пиковое напряжение достигается только в катушках, в которых не возникают воздушные разряды; в катушках, которые производят искры, например в развлекательных катушках, пиковое напряжение на клемме ограничено напряжением, при котором воздух разрушается и становится проводящим. ^{[10] [15] [17]} Поскольку выходное напряжение увеличивается во время каждого импульса напряжения, оно достигает точки, в которой воздух рядом с высоковольтной клеммой ионизируется , и из клеммы вырываются коронный разряд , щеточные разряды и стримерные дуги . Это происходит, когда напряженность электрического поля превышает диэлектрическую прочность воздуха, примерно 30 кВ на сантиметр. Поскольку электрическое поле наибольшее в острых точках и кромках, в этих точках на высоковольтной клемме начинаются воздушные разряды. Напряжение на высоковольтной клемме не может увеличиться выше напряжения пробоя воздуха, поскольку дополнительный электрический заряд, накачиваемый в клемму со вторичной обмотки, просто улетучивается 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 резервуары с изоляционным маслом под давлением .

Электрод с верхней загрузкой или «тороидальный» электрод.

Твердотельная катушка Теслы DRSSTC с заостренным проводом, прикрепленным к тороиду для создания щеточного разряда .

Большинство конструкций катушек Тесла имеют гладкий металлический электрод сферической или тороидальной формы на высоковольтной клемме. Электрод служит одной обкладкой конденсатора , а земля — другой обкладкой, образуя настроенную цепь со вторичной обмоткой. Хотя «тороид» увеличивает вторичную емкость, что имеет тенденцию к снижению пикового напряжения, его основной эффект заключается в том, что его изогнутая поверхность большого диаметра уменьшает градиент потенциала ( электрическое поле ) на высоковольтной клемме; он действует аналогично коронирующему кольцу , увеличивая порог напряжения, при котором возникают воздушные разряды, такие как коронный и щеточный разряды. ^[21] Подавление преждевременного пробоя воздуха и потерь энергии позволяет напряжению достигать более высоких значений на пиках формы сигнала, создавая более длинные и эффектные стримеры, когда наконец происходят воздушные разряды. ^[15]

Если верхний электрод большой и достаточно гладкий, электрическое поле на его поверхности может никогда не стать достаточно сильным даже при пиковом напряжении, чтобы вызвать пробой воздуха, и воздушных разрядов не произойдет. Некоторые развлекательные катушки имеют острую «точку искры», выступающую из тора и вызывающую разряды. ^[21]

Типы

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

Возбуждение

Цепи катушек Тесла можно классифицировать по типу используемого в них «возбуждения», по типу схемы, по которой подается ток на первичную обмотку резонансного трансформатора: ^{[6] [22] [23]}

• Катушка Теслы с искровым возбуждением или с искровым разрядником (SGTC) : в этом типе используется искровой промежуток для замыкания первичной цепи, возбуждая колебания в резонансном трансформаторе. Искровые разрядники имеют недостатки из-за высоких первичных токов, которые они должны выдерживать. Во время работы они производят очень громкий шум, выделяют вредный газ озон и высокие температуры, что может потребовать установки системы охлаждения. Энергия, рассеиваемая в искре, также снижает добротность и выходное напряжение. Все катушки Теслы были возбуждены искрой.
  • Статический разрядник : это наиболее распространенный тип, подробно описанный в предыдущем разделе. Он используется в большинстве развлекательных катушек. Переменное напряжение от высоковольтного питающего трансформатора заряжает конденсатор, который разряжается через искровой промежуток. Частота искры не регулируется, а определяется частотой сети 50 или 60 Гц. В каждом полупериоде может возникнуть несколько искр, поэтому импульсы выходного напряжения могут быть неравномерными.
  • Статический искровой разрядник : коммерческие и промышленные схемы часто подают напряжение постоянного тока от источника питания для зарядки конденсатора и используют импульсы высокого напряжения, генерируемые генератором, подаваемым на пусковой электрод, для запуска искры. ^{[7] [23]} Это позволяет контролировать частоту искры и напряжение возбуждения. Коммерческие искровые разрядники часто заключаются в атмосферу изолирующего газа, такого как гексафторид серы , что уменьшает длину и, следовательно, потери энергии в искре.
  • Вращающийся искровой разрядник : в них используется искровой промежуток, состоящий из электродов по периферии колеса, вращающегося с высокой скоростью двигателем, который создает искры при прохождении мимо неподвижного электрода. ^[23] Тесла использовал этот тип на своих больших катушках, и они используются сегодня на больших развлекательных катушках. Высокая скорость отделения электродов быстро гасит искру, обеспечивая гашение «первой ступени», что делает возможным более высокое напряжение. Колесо обычно приводится в движение синхронным двигателем , поэтому искры синхронизируются с частотой сети переменного тока, искра возникает в одной и той же точке формы волны переменного тока в каждом цикле, поэтому первичные импульсы повторяются.
• Переключаемая или твердотельная катушка Тесла (SSTC) : в них используются силовые полупроводниковые устройства , обычно тиристоры или транзисторы , такие как MOSFET или IGBT , ^[7] запускаемые полупроводниковой генераторной схемой для переключения импульсов напряжения от источника питания постоянного тока через первичную обмотку. . ^[23] Они обеспечивают импульсное возбуждение без недостатков искрового разрядника: громкого шума, высоких температур и низкого КПД. Напряжение, частоту и форму волны возбуждения можно точно контролировать. SSTC используются в большинстве коммерческих, промышленных и исследовательских приложений ^[7], а также в более качественных развлекательных катушках.
  • Одиночная резонансная твердотельная катушка Теслы (SRSSTC) : в этой схеме первичная обмотка не имеет резонансного конденсатора и поэтому не является схемой с двойной настройкой; только вторичка есть. Ток, поступающий в первичную обмотку от переключающих транзисторов, возбуждает резонанс во вторичной настроенной цепи. Одинарные SSTC проще, но у резонансного контура общая добротность зависит только от резонанса вторичной стороны.
  • Двойная резонансная твердотельная катушка Тесла (DRSSTC) : Схема аналогична схеме с искровым возбуждением с двойной настройкой, за исключением того, что вместо трансформатора питания переменного тока ( T ) в первичной цепи источник питания постоянного тока заряжает конденсатор, а вместо Полупроводниковые переключатели с искровым разрядником замыкают цепь между конденсатором и первичной катушкой.
  • Поющая катушка Тесла или музыкальная катушка Тесла : это не отдельный тип возбуждения, а модификация твердотельной первичной цепи для создания катушки Теслы, на которой можно играть как на музыкальном инструменте, с ее высоковольтными разрядами, воспроизводящими простые музыкальные звуки. . Импульсы напряжения возбуждения, подаваемые на первичную обмотку, модулируются со скоростью звука с помощью полупроводниковой схемы «прерывателя», в результате чего дуговой разряд на высоковольтной клемме издает звуки. Пока созданы только тона и простые аккорды; катушка не может функционировать как громкоговоритель , воспроизводя сложную музыку или звуки голоса. Выход звука контролируется с помощью клавиатуры или MIDI-файла , применяемого к схеме через MIDI- интерфейс.Использованыдва метода модуляции : АМ ( амплитудная модуляция возбуждающего напряжения) и ЧИМ ( частотно-импульсная модуляция ). В основном они созданы как новинки для развлечений.
• Непрерывная волна : в них трансформатор приводится в действие генератором обратной связи , который подает импульс тока на первичную обмотку в каждом цикле ВЧ-тока, возбуждая непрерывные колебания. ^[23] Первичная настроенная цепь служит резервуарной цепью генератора, и схема напоминает радиопередатчик . В отличие от предыдущих схем, которые генерируют импульсный выходной сигнал, они генерируют непрерывный выходной синусоидальный сигнал. Силовые электронные лампы часто используются в качестве активных устройств вместо транзисторов, поскольку они более надежны и устойчивы к перегрузкам. Как правило, непрерывное возбуждение обеспечивает более низкие выходные напряжения при заданной входной мощности, чем импульсное возбуждение. ^[23]

Количество катушек

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

• Две катушки или схемы с двойным резонансом . Практически во всех существующих катушках Теслы используется двухкатушечный резонансный трансформатор , состоящий из первичной обмотки, на которую подаются импульсы тока, и вторичной обмотки, вырабатывающей высокое напряжение, изобретенной Теслой в 1891 году. Этот термин «Катушка Теслы» обычно относится к этим схемам.
• Цепи с тремя катушками , тройным резонансом или лупой : это схемы с тремя катушками, основанные на схеме «увеличительного передатчика» Теслы, с которой он начал экспериментировать где-то до 1898 года, установил в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс в 1899–1900 годах и запатентовал в 1902 году. ^{[26] [27] [28]} Они состоят из двухобмоточного повышающего трансформатора с воздушным сердечником, аналогичного трансформатору Теслы, со вторичной обмоткой, соединенной с третьей катушкой, не связанной магнитно с остальными, называемой «дополнительной» или «дополнительной». катушка «резонатор», которая запитана последовательно и резонирует со своей собственной емкостью. Выходной сигнал снимается со свободного конца этой катушки. Наличие трех контуров накопителей энергии придает этому контуру более сложное резонансное поведение. ^[29] Это предмет исследования, но он использовался в немногих практических приложениях.

История

Электрические колебания и резонансные схемы трансформаторов с воздушным сердечником были исследованы еще 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] и Генри Роуленд построили резонансный трансформатор в 1889 году. ^[31] Элиху Томсон независимо изобрел цепь катушки Теслы одновременно с Теслой. ^{[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 « Опыты с переменными токами очень высокой мощности». Частота и их применение к методам искусственного освещения » перед Американским институтом инженеров-электриков при Колумбийском колледже , Нью-Йорк. ^{[44] [45] [34]} Хотя Тесла запатентовал множество подобных схем в этот период, это была первая схема, которая содержала все элементы катушки Теслы: высоковольтный первичный трансформатор, конденсатор, искровой разрядник и «трансформатор колебаний» с воздушным сердечником. ".

Современные катушки Тесла

Электрический разряд , показывающий похожие на молнии плазменные нити из «катушки Теслы».

Катушка Тесла (разряд)

Катушка Тесла в террариуме (I)

Современные энтузиасты высокого напряжения обычно создают катушки Теслы, аналогичные некоторым «более поздним» конструкциям Теслы с двумя катушками с воздушным сердечником. Обычно они состоят из первичной цепи , последовательной LC-цепи ( индуктивность - емкость ), состоящей из высоковольтного конденсатора , искрового разрядника и первичной катушки ; и вторичный контур LC, последовательный резонансный контур, состоящий из вторичной катушки плюс терминальной емкости или «верхней нагрузки». В более продвинутой конструкции Теслы (лупа) добавлена ​​третья катушка. Вторичная LC-цепь состоит из тесно связанной вторичной катушки трансформатора с воздушным сердечником, приводящей в движение нижнюю часть отдельного спирального резонатора третьей катушки. Современные системы с двумя катушками используют одну вторичную катушку. Затем верхняя часть вторичной обмотки подключается к клемме верхней нагрузки, которая образует одну «обкладку» конденсатора , а другая «обкладка» является землей (или « землей »). Первичный контур LC настроен так, что он резонирует на той же частоте, что и вторичный контур LC. Первичная и вторичная катушки магнитно связаны, образуя двойной резонансный трансформатор с воздушным сердечником. Ранее катушки Теслы с масляной изоляцией нуждались в больших и длинных изоляторах на своих высоковольтных клеммах, чтобы предотвратить разряд в воздухе. Более поздние катушки Теслы распространяют свои электрические поля на большие расстояния, чтобы в первую очередь предотвратить высокие электрические напряжения, тем самым позволяя работать на открытом воздухе. В большинстве современных катушек Тесла также используются выходные клеммы тороидальной формы. Они часто изготавливаются из металлических или гибких алюминиевых воздуховодов. Тороидальная форма помогает контролировать сильное электрическое поле в верхней части вторичной обмотки, направляя искры наружу и в сторону от первичной и вторичной обмоток.

Более сложная версия катушки Теслы, которую Тесла назвал «увеличителем», использует более тесно связанный резонансный «драйвер» трансформатора с воздушным сердечником (или «задающий генератор») и меньшую, удаленно расположенную выходную катушку (называемую «дополнительным генератором»). катушка» или просто резонатор ), который имеет большое количество витков на относительно небольшой катушке. Нижняя часть вторичной обмотки драйвера соединена с землей. Противоположный конец подключен к нижней части дополнительной катушки через изолированный проводник, который иногда называют линией передачи. Поскольку линия передачи работает при относительно высоких ВЧ напряжениях, она обычно изготавливается из металлических трубок диаметром 1 дюйм, чтобы уменьшить потери на коронный разряд. Поскольку третья катушка расположена на некотором расстоянии от драйвера, она не связана с ним магнитно. вместо этого он напрямую подключается от выхода драйвера к нижней части третьей катушки, заставляя его «звонить» до очень высоких напряжений. Комбинация двухкатушечного драйвера и резонатора третьей катушки добавляет системе еще одну степень свободы. что делает настройку значительно более сложной , чем для системы с двумя катушками. Переходный процесс для множественных резонансных цепей (подмножеством которых является увеличитель Теслы) был решен только недавно ^[46] . доступны полезные «режимы» настройки, и в большинстве режимов работы дополнительная катушка будет звучать на другой частоте, чем задающий генератор ^{[47] .}

Первичное переключение

Демонстрация прототипа двойной катушки Теслы Невадской лаборатории молний в масштабе 1:12 на выставке Maker Faire 2008.

В современных транзисторных или ламповых катушках Тесла не используется первичный разрядник. Вместо этого транзистор(ы) или вакуумная лампа(ы) обеспечивают функцию переключения или усиления, необходимую для генерации радиочастотной мощности для первичной цепи. Твердотельные катушки Теслы используют самое низкое первичное рабочее напряжение, обычно от 155 до 800 вольт, и управляют первичной обмоткой, используя одинарную, полумостовую или полномостовую схему транзисторов , МОП-транзисторов или IGBT для переключения первичного тока. . Катушки с электронными лампами обычно работают с напряжением на пластине от 1500 до 6000 вольт, тогда как большинство катушек с искровым разрядником работают с первичным напряжением от 6000 до 25000 вольт. Первичная обмотка традиционной транзисторной катушки Теслы намотана только вокруг нижней части вторичной катушки. Эта конфигурация иллюстрирует работу вторичной обмотки в качестве резонатора с накачкой. Первичная обмотка «индуцирует» переменное напряжение в самую нижнюю часть вторичной обмотки, обеспечивая регулярные «толчки» (аналогично правильно рассчитанным толчкам на качелях на игровой площадке). Дополнительная энергия передается от первичной обмотки к вторичной индуктивности и емкости верхней нагрузки во время каждого «толчка», и вторичное выходное напряжение увеличивается (так называемое «вызов»). Электронная схема обратной связи обычно используется для адаптивной синхронизации первичного генератора с растущим резонансом во вторичной обмотке, и это единственный фактор настройки, выходящий за рамки первоначального выбора разумной максимальной нагрузки.

В двойной резонансной твердотельной катушке Теслы (DRSSTC) электронное переключение твердотельной катушки Теслы сочетается с резонансной первичной цепью искровой катушки Теслы. Резонансный первичный контур формируется путем подключения конденсатора последовательно с первичной обмоткой катушки, так что эта комбинация образует последовательный контур с резонансной частотой, близкой к частоте вторичного контура. Из-за наличия дополнительного резонансного контура необходимы одна ручная и одна адаптивная настройка. Также прерыватель обычно используется для уменьшения рабочего цикла коммутационного моста, для улучшения пиковой мощности; Аналогичным образом, IGBT более популярны в этом приложении, чем транзисторы с биполярным переходом или MOSFET, из-за их превосходных характеристик мощности. Схема ограничения тока обычно используется для ограничения максимального тока первичного бака (который должен переключаться с помощью IGBT) до безопасного уровня. Характеристики DRSSTC могут быть сопоставимы с катушкой Теслы с искровым разрядником средней мощности, а эффективность (измеряемая длиной искры в зависимости от входной мощности) может быть значительно выше, чем у катушки Теслы с искровым разрядником, работающей при той же входной мощности.

Практические аспекты дизайна

Производство высокого напряжения

Схема катушки Теслы

Большая катушка Теслы более современной конструкции часто работает на очень высоких уровнях пиковой мощности, вплоть до многих мегаватт (миллионов ватт , что эквивалентно тысячам лошадиных сил ). Поэтому его регулировка и эксплуатация осуществляются с осторожностью не только ради эффективности и экономичности, но и ради безопасности. Если из-за неправильной настройки точка максимального напряжения возникает ниже клеммы, вдоль вторичной обмотки, может возникнуть разряд ( искра ) и повредить или разрушить провод катушки, опоры или близлежащие предметы.

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

Однако в типичной схеме короткозамыкающее действие искрового промежутка предотвращает «повторное попадание» высокочастотных колебаний в питающий трансформатор. В альтернативной схеме на обмотку питающего трансформатора подаются также высокоамплитудные высокочастотные колебания, возникающие на конденсаторе. Это может вызвать коронные разряды между витками, которые ослабляют и в конечном итоге разрушают изоляцию трансформатора. Опытные производители катушек Тесла почти исключительно используют верхнюю схему, часто дополняя ее фильтрами нижних частот (цепи резисторов и конденсаторов (RC)) между питающим трансформатором и искровым разрядником, чтобы помочь защитить питающий трансформатор. Это особенно важно при использовании трансформаторов с хрупкими высоковольтными обмотками, например трансформаторов с неоновыми вывесками (НСТ). Независимо от используемой конфигурации, высоковольтный трансформатор должен быть такого типа, который самоограничивает свой вторичный ток посредством внутренней индуктивности короткого замыкания . Обычный высоковольтный трансформатор (с низкой индуктивностью короткого замыкания) должен использовать внешний ограничитель (иногда называемый балластом) для ограничения тока. NST имеют высокую индуктивность короткого замыкания, позволяющую ограничить ток короткого замыкания до безопасного уровня.

Тюнинг

Резонансная частота первичной катушки настраивается на частоту вторичной с помощью колебаний малой мощности с последующим увеличением мощности (и перенастройкой, если необходимо), пока система не будет работать должным образом на максимальной мощности. При настройке к верхней клемме часто добавляют небольшой выступ (называемый «выступом»), чтобы стимулировать коронные и искровые разряды (иногда называемые стримерами) в окружающий воздух. Затем настройку можно отрегулировать так, чтобы получить самые длинные стримеры на заданном уровне мощности, что соответствует совпадению частот первичной и вторичной катушек. Емкостная «нагрузка» стримерами имеет тенденцию понижать резонансную частоту катушки Теслы, работающей на полной мощности. Тороидальную верхнюю нагрузку часто предпочитают другим формам, например сфере. Тороид, главный диаметр которого значительно превышает вторичный, обеспечивает улучшенное формирование электрического поля при верхней нагрузке. Это обеспечивает лучшую защиту вторичной обмотки (от повреждающих ударов стримера), чем сфера аналогичного диаметра. Кроме того, тороид обеспечивает достаточно независимый контроль емкости верхней нагрузки в зависимости от напряжения искрового пробоя. Емкость тороида в основном зависит от его большого диаметра, тогда как напряжение искрового пробоя в основном зависит от его меньшего диаметра. Генератор падения сетки (GDO) иногда используется для облегчения первоначальной настройки и помощи в проектировании. Резонансную частоту вторичной обмотки может быть трудно определить, кроме как с помощью GDO или другого экспериментального метода, тогда как физические свойства первичной обмотки более точно представляют собой сосредоточенную аппроксимацию конструкции ВЧ-резервуара. В этой схеме вторичная обмотка строится несколько произвольно, имитируя другие успешные конструкции, или полностью с использованием подручных материалов, ее резонансная частота измеряется и первичная обмотка проектируется в соответствии с ней.

Выбросы воздуха

Небольшая катушка Теслы более позднего типа в работе: на выходе образуются искры длиной 43 сантиметра (17 дюймов). Диаметр вторичной обмотки составляет 8 см (3,1 дюйма). Источником питания является источник питания с ограничением тока напряжением 10 000 В, 60 Гц .

В катушках, создающих воздушные разряды, например, предназначенных для развлечений, электрическая энергия от вторичной обмотки и тороида передается окружающему воздуху в виде электрического заряда, тепла, света и звука. Этот процесс аналогичен зарядке или разрядке конденсатора , за исключением того, что катушка Теслы использует переменный ток вместо постоянного тока. Ток, возникающий в результате смещения зарядов внутри конденсатора, называется током смещения . Разряды катушки Тесла образуются в результате токов смещения, когда импульсы электрического заряда быстро передаются между высоковольтным тороидом и близлежащими областями в воздухе (так называемыми областями пространственного заряда ). Хотя области пространственного заряда вокруг тороида невидимы, они играют важную роль в появлении и расположении разрядов катушки Теслы.

Когда искровой разрядник срабатывает, заряженный конденсатор разряжается в первичную обмотку, вызывая колебания первичной цепи. Колеблющийся первичный ток создает колеблющееся магнитное поле, которое соединяется со вторичной обмоткой, передавая энергию на вторичную обмотку трансформатора и заставляя ее колебаться вместе с емкостью тороида на землю. Передача энергии происходит в течение нескольких циклов, пока большая часть энергии, которая изначально находилась в первичной обмотке, не перейдет во вторичную сторону. Чем больше магнитная связь между обмотками, тем меньше время, необходимое для завершения передачи энергии. По мере накопления энергии внутри колебательного вторичного контура амплитуда радиочастотного напряжения тороида быстро увеличивается, и воздух, окружающий тороид, начинает подвергаться диэлектрическому пробою , образуя коронный разряд.

Поскольку энергия вторичной обмотки (и выходное напряжение) продолжает увеличиваться, более сильные импульсы тока смещения дополнительно ионизируют и нагревают воздух в точке первоначального пробоя. Это образует очень электропроводящий «корень» более горячей плазмы , называемый лидером , который выступает наружу из тороида. Плазма внутри лидера значительно горячее коронного разряда и значительно более проводящая. По сути, его свойства аналогичны электрической дуге . Лидер сужается и разветвляется на тысячи более тонких, холодных, похожих на волосы разрядов (так называемых стримеров). Стримеры выглядят как голубоватая «дымка» на концах более светящихся лидеров. Стримеры передают заряд между лидерами и тороидом в близлежащие области пространственного заряда. Токи смещения от бесчисленных стримеров питаются лидером, помогая сохранять его горячим и электропроводным.

Скорость первичного обрыва искровых катушек Теслы мала по сравнению с резонансной частотой узла резонатор-верхняя нагрузка. Когда переключатель замыкается, энергия передается из первичной LC-цепи в резонатор, где в течение короткого периода времени появляется напряжение, достигающее кульминации в электрическом разряде. В катушке Теслы с искровым разрядником процесс передачи энергии из первичной обмотки во вторичную происходит периодически с типичной частотой импульсов 50–500 раз в секунду, в зависимости от частоты входного линейного напряжения. При таких скоростях ранее сформированные каналы-лидеры не получают возможности полностью остыть между импульсами. Таким образом, при последовательных импульсах новые разряды могут возникать на горячих путях, оставленных их предшественниками. Это вызывает постепенный рост лидера от одного импульса к другому, удлиняя весь разряд в каждом последующем импульсе. Повторяющиеся импульсы вызывают рост разрядов до тех пор, пока средняя энергия, доступная от катушки Теслы во время каждого импульса, не уравновесит среднюю энергию, теряемую при разрядах (в основном в виде тепла). В этот момент достигается динамическое равновесие , и разряды достигают максимальной длины для уровня выходной мощности катушки Теслы. Уникальное сочетание нарастающей огибающей радиочастот высокого напряжения и повторяющихся импульсов, по-видимому, идеально подходит для создания длинных ветвящихся разрядов, которые значительно длиннее, чем можно было бы ожидать, исходя только из соображений выходного напряжения. Разряды высокого напряжения и низкой энергии создают нитевидные разветвленные разряды пурпурно-синего цвета. Высоковольтные и высокоэнергетические разряды создают более толстые разряды с меньшим количеством ветвей, бледные и светящиеся, почти белые и намного длиннее, чем низкоэнергетические разряды, из-за повышенной ионизации. В этом районе появится сильный запах озона и оксидов азота. Важными факторами для максимальной длины разряда являются напряжение, энергия и неподвижный воздух с низкой или умеренной влажностью. Научных исследований по инициированию и развитию импульсных низкочастотных радиочастотных разрядов сравнительно мало, поэтому некоторые аспекты воздушных разрядов катушки Тесла не так хорошо изучены по сравнению с разрядами постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, импульсами высокого напряжения и грозовыми разрядами.

Приложения

Сегодня, хотя небольшие катушки Теслы используются в качестве детекторов утечек в научных высоковакуумных системах ^[5] и воспламенителей в аппаратах дуговой сварки , ^[48] их основное применение — развлекательные и образовательные дисплеи.

Образование и развлечения

Скульптура из Электрума , самая большая в мире катушка Теслы. Строитель Эрик Орр сидит внутри полого сферического высоковольтного электрода.

Катушки Теслы выставляются в качестве аттракционов в научных музеях и на ярмарках электроники и используются для демонстрации принципов высокочастотного электричества на научных занятиях в школах и колледжах. ^[49]

Поскольку катушки Теслы достаточно просты в изготовлении любителем, они являются популярным проектом студенческой научной ярмарки и изготавливаются большим сообществом любителей по всему миру. Создателей катушек Теслы для хобби называют «койлерами». Они посещают конференции по намотке, где демонстрируют свои самодельные катушки Тесла и другие высоковольтные устройства. Катушки Теслы малой мощности также иногда используются в качестве источника высокого напряжения для фотосъемки Кирлиана .

Самая большая в настоящее время катушка Теслы — это устройство мощностью 130 000 Вт, построенное Грегом Лейхом и Эриком Орром и являющееся частью скульптуры высотой 38 футов (12 м), принадлежащей Алану Гиббсу и в настоящее время находящейся в частном парке скульптур в Какануи-Пойнт. недалеко от Окленда , Новая Зеландия. ^{[50] [51]} Еще одна очень большая катушка Теслы, спроектированная и изготовленная Сидом Клинге, демонстрируется каждый год на фестивале музыки и искусств Coachella Valley в Коачелле, Калифорния. ^{[ нужна цитата ]}

Катушки Теслы также можно использовать для генерации звуков, в том числе музыки, путем модуляции эффективной «скорости перерывов» системы (т. е. частоты и продолжительности мощных радиочастотных всплесков) через MIDI -данные и блок управления. Фактические MIDI-данные интерпретируются микроконтроллером, который преобразует MIDI-данные в выходной сигнал ШИМ , который можно отправить на катушку Теслы через оптоволоконный интерфейс. Обширный музыкальный концерт на открытом воздухе продемонстрировал использование катушек Теслы во время Дня открытых дверей инженеров (EOH). в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн . Исландская художница Бьорк использовала катушку Теслы в своей песне «Thunderbolt» в качестве основного инструмента. Музыкальная группа ArcAttack использует модулированные катушки Теслы и человека в костюме-рабице для воспроизведения музыки.

Детекторы утечек вакуумной системы

Ученые, работающие с системами высокого вакуума, проверяют наличие крошечных отверстий в аппарате (особенно в свежевыдутой стеклянной посуде) с помощью высоковольтных разрядов, создаваемых небольшой портативной катушкой Теслы. При вакуумировании системы высоковольтный электрод катушки воздействует на внешнюю часть аппарата. При низком давлении воздух легче ионизируется и, следовательно, проводит электричество лучше, чем воздух при атмосферном давлении. Таким образом, разряд проходит через любое отверстие непосредственно под ним, создавая коронный разряд внутри вакуумированного пространства, который освещает отверстие, указывая точки, которые необходимо отжечь или повторно обдуть, прежде чем их можно будет использовать в эксперименте.

Теслафорез

В 2016 году ученые Университета Райса использовали поле катушки Тесла для удаленного объединения крошечных углеродных нанотрубок в цепь — процесс, который они назвали «теслафорезом». ^{[52] [53]}

Вопросы здравоохранения

Мальчик позволяет дуге катушки Тесла ударить по руке. Он не чувствует боли

Высоковольтные радиочастотные (РЧ) разряды на выходной клемме катушки Тесла представляют собой уникальную опасность, не встречающуюся в другом высоковольтном оборудовании: при прохождении через тело они часто не вызывают болезненных ощущений и сокращений мышц, присущих поражению электрическим током. , как это делают переменные или постоянные токи более низкой частоты. ^{[54] [9] [55] [56]} Нервная система нечувствительна к токам частотой более 10–20 кГц. ^[57] Считается, что причина этого в том, что определенное минимальное количество ионов должно пройти через мембрану нервной клетки под действием приложенного напряжения, чтобы заставить нервную клетку деполяризоваться и передать импульс. На радиочастотах в течение полупериода недостаточно времени, чтобы достаточное количество ионов могло пересечь мембрану до того, как переменное напряжение поменяется на противоположное. ^[57] Опасность заключается в том, что, поскольку боль не ощущается, экспериментаторы часто предполагают, что токи безвредны. Преподаватели и любители, демонстрирующие небольшие катушки Теслы, часто впечатляют свою аудиторию, прикасаясь к высоковольтной клемме или позволяя стримерным дугам проходить через их тело. ^{[58] [59] [9]}

Если дуги от высоковольтной клеммы поражают обнаженную кожу, они могут вызвать глубокие ожоги, называемые радиочастотными ожогами . ^{[60] [61]} Этого часто избегают, позволяя дугам вместо этого ударять по куску металла, удерживаемому в руке, или по наперстку на пальце. Ток проходит от металла в руку человека по достаточно широкой площади поверхности, чтобы не вызвать ожогов. ^[9] Часто не ощущается никаких ощущений, а только тепло или покалывание.

Однако это не означает, что ток безвреден. ^[62] Даже небольшая катушка Тесла производит во много раз больше электрической энергии, необходимой для остановки сердца, если частота оказывается достаточно низкой, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков . ^{[63] [64]} Незначительная неправильная регулировка катушки может привести к поражению электрическим током . Кроме того, радиочастотный ток нагревает ткани, через которые он проходит. Тщательно контролируемые токи катушки Теслы, подаваемые непосредственно на кожу с помощью электродов, использовались в начале 20 века для глубокого нагрева тканей тела в медицинской области длинноволновой диатермии . ^[55] Степень нагрева зависит от плотности тока, которая зависит от выходной мощности катушки Теслы и площади поперечного сечения пути, который ток проходит через тело к земле. ^[56] В частности, если он проходит через узкие структуры, такие как кровеносные сосуды или суставы, он может повысить температуру местных тканей до гипертермического уровня, «приготовив» внутренние органы или вызвав 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 катушки Теслы малой мощности могут превышать эти пределы, и обычно невозможно определить пороговый ток, при котором начинается телесное повреждение. Поражение дугой катушки Теслы высокой мощности (> 1000 Вт) может оказаться смертельным.

Еще одна опасность, связанная с этой практикой, заключается в том, что дуги от высоковольтной клеммы часто поражают первичную обмотку катушки. ^{[54] [62]} Это на мгновение создает токопроводящий путь для смертельного первичного тока частотой 50 или 60 Гц от питающего трансформатора, который достигает выходной клеммы. Если в это время к выходному терминалу подключается человек, либо прикоснувшись к нему, либо позволив дугам от терминала поразить тело человека, тогда высокий первичный ток может пройти через проводящий путь ионизированного воздуха через тело на землю, вызывая поражение электрическим током.

Миф о скин-эффекте

Ошибочное объяснение отсутствия поражения электрическим током, которое сохраняется 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 кожей. эффект . ^{[63] [9] [66] [67]}

Эта теория ложна. ^{[68] [69] [70] [54] [64] [71]} Радиочастотный ток действительно 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 проницаемость материала, а также частота . ^{[72] [73]} Хотя скин-эффект ограничивает токи частот катушки Тесла до внешних долей миллиметра в металлических проводниках, глубина скин-эффекта тока в тканях тела намного глубже из-за его более высокого удельного сопротивления. Глубина проникновения токов частоты Теслы (0,1–1 МГц) в ткани человека составляет примерно 24–72 сантиметра (9–28 дюймов). ^{[73] [72] [54]} Поскольку даже самые глубокие ткани расположены ближе к поверхности, скин-эффект мало влияет на путь тока через тело; ^[71] он имеет тенденцию идти по пути 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 частот Тесла использовался на протяжении десятилетий для глубокого прогрева тканей, включая нагревание внутренних органов, таких как легкие. ^{[74] [55]} Современные коротковолновые диатермические аппараты используют более высокую частоту 27 МГц, которая имеет соответственно меньшую глубину кожи, но эти частоты все еще способны проникать в глубокие ткани тела. ^[69]

Связанные патенты

Патенты Теслы

• « Электрический трансформатор или индукционное устройство ». Патент США № 433702, 5 августа 1890 г. ^[75]
• « Средство для генерации электрического тока », патент США № 514168, 6 февраля 1894 г.
• « Электрический трансформатор », патент № 593138, 2 ноября 1897 г.
• « Метод использования лучистой энергии », патент № 685958, 5 ноября 1901 г.
• « Метод сигнализации », патент США № 723188, 17 марта 1903 г.
• « Система сигнализации », патент США № 725605, 14 апреля 1903 г.
• «Устройство для передачи электрической энергии», 18 января 1902 г., патент США № 1119732 , 1 декабря 1914 г.

Патенты других

• Дж. С. Стоун, патент США № 714 832 , « Устройство для усиления электромагнитных волн ». (Подана 23 января 1901 г.; выдано 2 декабря 1902 г.)
• А. Никл, патент США № 2125804 « Антенна ». (Подана 25 мая 1934 г.; выдано 2 августа 1938 г.)
• Уильям В. Браун, патент США № 2059186 « Структура антенны ». (Подана 25 мая 1934 г.; выдано 27 октября 1936 г.).
• Роберт Б. Доум, патент США 2 101 674 « Антенна ». (Подана 25 мая 1934 г.; выдано 7 декабря 1937 г.)
• Армстронг, Э.Х., патент США № 1113149 « Беспроводная приемная система ». 1914.
• Армстронг, Э.Х., патент США № 1342885 « Способ получения высокочастотных колебаний ». 1922 год.
• Армстронг, Э.Х., патент США № 1 424 065 , « Система сигнализации ». 1922 год.
• Герхард Фрейхер Дю Прель, патент США № 1675882 , « Высокочастотная схема ». (Подана 11 августа 1925 г.; выдано 3 июля 1928 г.)
• Лейдорф, Г. Ф., патент США № 3 278 937 « Антенная система связи ближнего поля ». 1966.
• Ван Вурхис, патент США 6 218 998 « Тороидальная спиральная антенна » .
• Джин Кунсе, патент США № 6 933 819 « Многочастотный генератор электромагнитного поля ». (Подано 29 октября 2004 г.; выдано 23 августа 2005 г.)

Смотрите также

• Клетка Фарадея
• Генри Лерой Транстром  – американский изобретатель Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта, изобретатель и шоумен, работавший с высоковольтным электричеством.
• Список патентов Николы Теслы
• Катушка Удена  - схема резонансного трансформатора, изобретенная в 1893 году Полем Мари Уденом.
• Генератор Ван де Граафа
• Беспроводная передача энергии  - передача электрической энергии без проводов по физическому каналу.

Рекомендации

1. Ут, Роберт (12 декабря 2000 г.). «Катушка Теслы». Тесла: Повелитель Молний . PBS.org . Проверено 20 мая 2008 г.
2. Элдридж, Стивен (7 января 2024 г.). «Катушка Теслы». Британская энциклопедия онлайн . Британская энциклопедия Inc. Проверено 10 февраля 2024 г.
3. Доммермут-Коста, Кэрол (1994). Никола Тесла: Искра гения. Книги двадцать первого века. п. 75. ИСБН 978-0-8225-4920-8.
4. Тилбери, Митч (2007). Полное руководство по проектированию и изготовлению катушек Тесла. Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional. п. 1. ISBN 978-0-07-149737-4.
5. Плеш, PH (2005). Методы высокого вакуума для химического синтеза и измерений. Издательство Кембриджского университета. п. 21. ISBN 978-0-521-67547-5.
6. Цветич, Йован М. (октябрь 2016 г.). «Высоковольтные и высокочастотные генераторы Tesla с колебательными контурами». Сербский журнал электротехники . 13 (3): 301–333. дои : 10.2298/SJEE1603301C . S2CID  55561957.
7. Хаддад, А.; Варн, Д.Ф. (2004). Достижения в области техники высокого напряжения. ИЭПП. п. 605. ИСБН 978-0852961582.
8. Найду, М.С.; Камараджу, В. (2013). Техника высокого напряжения. Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 167. ИСБН 978-1259062896.
9. Спротт, Жюльен К. (2006). Демонстрации физики: справочник для учителей физики. унив. из Висконсин Пресс. стр. 192–195. ISBN 978-0299215804.
10. Андерсон, Бартон Б. (24 ноября 2000 г.). «Классическая катушка Тесла: резонансный трансформатор с двойной настройкой» (PDF) . Катушки Теслы . Терри Блейк, 3-я веб-страница. Архивировано (PDF) из оригинала 21 мая 2005 г. Проверено 26 июля 2015 г.
11. Denicolai, Марко (30 мая 2001 г.). Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований (PDF) (Диссертация). Диссертация на степень лиценциата. Кафедра электротехники и связи, Хельсинкский университет. технологий, Хельсинки, Финляндия. стр. 2–6 . Проверено 26 июля 2015 г.
12. Denicolai, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, глава 2, стр. 8–10.
13. Герекос, Кристофер (2012). Катушка Теслы (PDF) (Диссертация). Тезис. Факультет физики, Свободный университет Брюсселя, Брюссель, Бельгия. стр. 20–22. Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2015 года . Проверено 27 июля 2015 г., перепечатано на сайте The Zeus Tesla Coil, HazardousPhysics.com.
14. Готлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформаторам: для инженеров электроники, радиотехники и связи. Ньюнес. стр. 103–114. ISBN 978-0080514567.
15. Бернетт, Ричи (2008). «Работа катушки Теслы». Веб-страница катушки Тесла Ричи . Частный сайт Ричарда Бернетта . Проверено 24 июля 2015 г.
16. Бернетт, Ричи (2008). «Коэффициент связи». Веб-страница катушки Тесла Ричи . Частный сайт Ричарда Бернетта . Проверено 4 апреля 2017 г.
17. Бернетт, Ричи (2008). «Компоненты катушки Тесла, стр. 2». Веб-страница катушки Тесла Ричи . Частный сайт Ричарда Бернетта . Проверено 24 июля 2015 г.
18. Герекос, 2012, Катушка Теслы, стр. 38–42. Архивировано 23 июня 2007 г., в Wayback Machine.
19. Герекос, 2012, Катушка Теслы, стр. 15–18. Архивировано 23 июня 2007 г., в Wayback Machine.
20. Герекос, 2012, Катушка Теслы, стр. 19–20. Архивировано 23 июня 2007 г., в Wayback Machine.
21. Denicolai, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, глава 3, раздел. 3–5, с. 22
22. «Катушки Тесла - Часто задаваемые вопросы» . сайт oneTesla . oneTesla Co., Кембридж, Массачусетс. 2012 . Проверено 2 августа 2015 г.
23. Denicolai, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, глава 2, стр. 11–17.
24. Герекос, 2012, Катушка Тесла, стр. 1, 23. Архивировано 23 июня 2007 г., в Wayback Machine.
25. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, гл. 2, с. 10
26. Патент США № 1119732, Устройство Николы Теслы для передачи электрической энергии , поданный 18 января 1902 г.; предоставлено 1 декабря 1914 г.
27. Саркар и др. (2006) History of Wireless, стр. 279–280, архив. Архивировано 17 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве.
28. Рид, Джон Рэндольф (2000). «Проектирование тройных резонансных трансформаторов Теслы с высоким коэффициентом усиления» (PDF) . Кафедра инженерии и информатики, Univ. Центральной Флориды. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 2 августа 2015 г.
29. де Кейроз, ACM (февраль 2002 г.). «Множественные резонансные сети». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Фундаментальная теория и приложения . 49 (2): 240–244. дои : 10.1109/81.983871.
30. Томсон, Элиуй (3 ноября 1899 г.). «Аппарат для получения высоких частот и давлений». Электрик . 44 (2). Лондон: Издательство Electrician Publishing Co.: 40–41 . Проверено 1 мая 2015 г.
31. Стронг, Фредерик Финч (1908). Токи высокой частоты. Нью-Йорк: Rebman Co., стр. 41–42.
32. Тесла, Никола (29 марта 1899 г.). «Некоторые эксперименты в лаборатории Теслы с токами высоких частот и давлений». Электрический обзор . 34 (13). Нью-Йорк: Издательство Electrical Review Publishing Co.: 193–197 . Проверено 30 ноября 2015 г.
33. Уилер, LP (август 1943 г.). «Вклад Теслы в высокие частоты». Электротехника . 62 (8). ИИЭР: 355–357. дои : 10.1109/EE.1943.6435874. ISSN  0095-9197. S2CID  51671246.
34. Саркар, ТК ; Майу, Робер; Олинер, Артур А.; и другие. (2006). История беспроводной связи (PDF) . Джон Уайли и сыновья. 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 Амброуз (1910). Принципы электроволновой телеграфии и телефонии, 2-е изд. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 581–582.
37. «Трансформер». Британская энциклопедия, 10-е изд . Том. 33. Британская энциклопедия, 1903 г., с. 426 . Проверено 1 мая 2015 г.
38. Бланшар, Джулиан (октябрь 1941 г.). «История электрического резонанса». Технический журнал Bell System . 20 (4). США: Американская телефонная и телеграфная компания: 415–433. doi :10.1002/j.1538-7305.1941.tb03608.x. S2CID  51669988 . Проверено 29 марта 2011 г.
39. Томсон, Элиуй (20 февраля 1892 г.). «Индукция разрядами высокого потенциала». Электрический мир . 19 (8). Нью-Йорк: WJ Johnson Co.: 116–117 . Проверено 21 ноября 2015 г.
40. Томсон, Элиуй (апрель 1893 г.). «Высокочастотная электрическая индукция». Technology Quarterly и Proceedings of Society of Arts . 6 (1). Бостон: Массачусетский институт. технологий: 50–59 . Проверено 22 ноября 2015 г.
41. Томсон, Элиуй (23 июля 1906 г.). «Письмо Фредерику Финчу Стронгу». Сайт Музея электротерапии . Джефф Бехари, Беллингем, Вашингтон, США. Воспроизведено с разрешения Американского философского общества . Проверено 20 августа 2015 г.
42. Дениколай, 2001, Трансформатор Тесла для экспериментов и исследований, глава 1, стр. 1–6.
43. Патент США № 454622, Никола Тесла, СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ , подан 25 апреля 1891 г.; пожалован 23 июня 1891 г.
44. Мартин, Томас Каммерфорд (1894). Изобретения, исследования и сочинения Николы Теслы: с особым упором на его работу в области многофазных токов и освещения с высоким потенциалом, 2-е изд. Инженер-электрик. стр. 145–197.
45. Тесла, Никола (2007). Сокровищница Николы Теслы. Публикации Уайлдера. стр. 68–107. ISBN 978-1934451892.
46. де Кейрос, Антонио Карлос М. «Обобщенные сети множественного LC-резонанса». Международный симпозиум по схемам и системам . 3 . ИИЭР: 519–522.
47. де Кейрос, Антонио Карлос М. «Проектирование лупы Теслы» . Проверено 12 апреля 2015 г.
48. Готлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформаторам. Ньюнес. п. 551. ИСБН 978-0080514567.
49. Плес, Марек (14 сентября 2021 г.). «Лабораторные снимки Марека Плеса: миниатюрная твердотельная катушка Тесла». сайт странной науки . Проверено 3 июля 2023 г.
50. Голдсмит, Пол (2010). Серьезное развлечение: жизнь и времена Алана Гиббса. Случайный дом пингвинов. п. 219. ИСБН 9781869799304.
51. «Молния по требованию, Брисбен, Калифорния». Проект «Электрум» . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 года.
52. «Ученые Университета Райса делают ключевой шаг для создания« силового поля »» . 14 апреля 2016 г.
53. «Теслафорез дает возможность значительно увеличивать силовые поля для удаленного перемещения материи - Innovation Toronto» . 18 апреля 2016 г.
54. Клюге, Стефан (2009). «Страница безопасности». Страницы катушек Тесла Стефана . Персональный сайт Стефана Клюге . Проверено 6 сентября 2017 г.
55. Ковач (1945) Электротерапия и светотерапия, 5-е изд. , стр. 205–206.
56. Миени, CJ (2003). Принципы ухода за хирургическими пациентами (2-е изд.). Новые книги Африки. п. 136. ИСБН 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). Высокочастотная аппаратура: ее конструкция и практическое применение. США: Компания Everyday Mechanics. п. 6.
59. Маршалл, Том (7 мая 2015 г.). «Учитель естественных наук арестован после того, как якобы использовал катушку Тесла, чтобы «клеймить» учеников путем прижигания кожи» . Вечерний стандарт . Лондон, Великобритания: Evening Standard Ltd. Проверено 23 сентября 2017 г.
60. Клипштейн, Дон (2005). «Опасности и безопасность катушки Тесла». Страница катушки Тесла Дона . Персональный сайт Дона Клипстайна . Проверено 15 сентября 2017 г.
61. Джонс, Грэм А.; Слой, Дэвид Х.; Осенковский, Томас Г. (2013). Справочник Национальной ассоциации телерадиовещателей по инженерным вопросам, 10-е изд. Тейлор и Фрэнсис. п. 357. ИСБН 978-1136034091.
62. Аткинсон, Чип; Филлипс, Эд; Жезотарский, Марк С.; Стивенс, RW (4 августа 1996 г.). «Информация о безопасности катушек Тесла». Классическая Тесла . Персональный сайт Барта Андерсона . Проверено 13 сентября 2017 г.
63. Тилбери, Митч (2007) Полное руководство по проектированию и изготовлению катушек Тесла , стр. 4
64. Купер, В. Фордхэм (2013). Электробезопасность, 3-е изд. Баттерворт-Хайнеманн. п. 57. ИСБН 978-1483161495.
65. Николетсеас, Сотирис; Ян, Юаньюань; Георгиадис, Апостолос (2016). Алгоритмы, технологии и приложения беспроводной передачи энергии в одноранговых сетях связи. Спрингер. стр. 166–167. ISBN 978-3319468105.
66. Робберсон, Эльберт (август 1954 г.). «Как построить катушку Теслы». Популярная наука . 165 (2). Нью-Йорк: Издательство Popular Science: 192.
67. Сарвате, В.В. (1993). Электромагнитные поля и волны. Нью Эйдж Интернэшнл, ООО с. 305. ИСБН 978-8122404685.
68. Сабертон, Клод (1920). Диатермия в медицинской и хирургической практике. PB Hoeber Co., стр. 23–24.
69. Битти, Уильям Дж. (2012). «Скин-эффект защищает нас от разрядов катушек Теслы?». Развенчание некоторых мифов о Тесле . Веб-страница любителя науки . Проверено 15 сентября 2017 г.
70. Стронг, Фредерик Финч (1908) Высокочастотные токи , стр. 222–223.
71. « Очевидно, что скин-эффект становится значительным для людей... на частотах выше 10 МГц » . Барнс, Фрэнк С.; Гринбаум, Бен (2006). Биологические и медицинские аспекты электромагнитных полей. ЦРК Пресс. стр. XIX. ISBN 978-1420009460.
72. Старейшина, Джо Аллен; Кэхилл, Дэниел Ф. (1984). Биологические эффекты радиочастотного излучения. Агентство по охране окружающей среды США. стр. 3.15–3.16.
73. Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет. Академическая пресса. п. 620. ИСБН 978-0-08-050521-3.
74. Кристи, Р.В.; Бингер, Кэл (октябрь 1927 г.). «Экспериментальное исследование диатермии: IV. Доказательства проникновения токов высокой частоты через живое тело». Журнал экспериментальной медицины . 46 (5): 715–734. дои : 10.1084/jem.46.5.715. ПМК 2131316 . ПМИД  19869368. 
75. Саркар, ТК ; Майу, Робер; Олинер, Артур А .; и другие. (2006). История беспроводной связи. Джон Уайли и сыновья. 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

• Арманья Х. и Кеньон О.А. (1908). Теория, проектирование и конструкция индукционных катушек . Нью-Йорк: МакГроу.
• Халлер, Г.Ф., и Каннингем, ET (1910). Высокочастотная катушка Теслы, ее конструкция и применение . Нью-Йорк: Д. Ван Ностранд Ко.
• Яннини, RE (2003). Электронные гаджеты для злого гения: 21 проект «собери сам» . ТАБ электроника. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. Страницы 137–202.
• Корум, Кеннет Л. и Джеймс Ф. « Катушки Теслы и провал теории цепей с сосредоточенными элементами »
• Николсон, Пол, « Проект вторичного моделирования Теслы » (Современное состояние дел в строгом описании вторичного поведения катушки Теслы посредством теоретического анализа, моделирования и проверки результатов на практике)
• Вуйович Любо, « Катушка Теслы ». Мемориальное общество Теслы в Нью-Йорке.
• Хикман, Берт, « Информационный центр катушек Тесла ».
• Купер, Джон. F., « Принципиальная схема увеличивающего передатчика раннего типа; Принципиальная схема позднего типа ». Тесла-Койл.com

Электрический мир

• «Разработка токов высокой частоты для практического применения». Электрический мир . Том. 32, нет. 8.
• «Безграничное пространство: Автобусный бар». Электрический мир . Том. 32, нет. 19.

Другие публикации

• Каллен, Алабама; Добсон, Дж. (1963). «Коронный пробой антенн в воздухе при низком давлении». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 271 (1347): 551–564. Бибкод : 1963RSPSA.271..551C. дои : 10.1098/rspa.1963.0035. S2CID  109593995.
• Бениосек, FM (1990). « Схема импульсного трансформатора с тройным резонансом ». Обзор научных инструментов . 61 (6): 1717–1719. Бибкод : 1990RScI...61.1717B. дои : 10.1063/1.1141138.
• Корум, Дж. Ф. и К. Л. Корум, « РЧ катушки, спиральные резонаторы и усиление напряжения с помощью когерентных пространственных мод ». ИИЭР, 2001.
• де Кейрос, Антонио Карлос М., « Синтез множественных резонансных сетей ». Федеральный университет Рио-де-Жанейро, Бразилия. ЭЭ/КОПЕ.
• Халлер, Джордж Фрэнсис и Элмер Тайлинг Каннингем, « Высокочастотная катушка Теслы, ее конструкция и использование ». Нью-Йорк, компания Д. Ван Ностранда, 1910 год.
• Хартли, Р.В.Л. (1936). «Колебания с нелинейными реактивными сопротивлениями». Технический журнал Bell System . 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 год, Нью-Йорк. 4-е издание.
• Рид, Дж.Л. (1988). «Больший прирост напряжения для трансформаторных ускорителей Тесла». Обзор научных инструментов . 59 (10): 2300. Бибкод : 1988RScI...59.2300R. дои : 10.1063/1.1139953.
• Рид, Дж.Л. (2012). «Демпфирование трансформатора Теслы». Обзор научных инструментов . 83 (7): 076101–076101–3. Бибкод : 2012RScI...83g6101R. дои : 10.1063/1.4732811. ПМИД  22852736.
• Рид, Дж.Л. (2015). «Трансформатор Теслы с кондуктивной связью». Обзор научных инструментов . 86 (3): 035113. Бибкод : 2015RScI...86c5113R. дои : 10.1063/1.4915940 . ПМИД  25832281.
• Рид, Дж.Л., «Настройка импульсного трансформатора Теслы с тройным резонансом»
• Кертис, Томас Стэнли, Высокочастотное устройство: его конструкция и практическое применение . Компания Everyday Mechanics, 1916 год.
• многочисленные академические публикации IEEE [1]

Внешние ссылки

• Катушка Теслы в Керли