TESLA COIL: SEJARAH, BAGAIMANA IA BERFUNGSI, UNTUK APA - FIZIKAL - 2025

The Tesla gegelung ialah penggulungan yang berfungsi sebagai voltan tinggi, frekuensi tinggi penjana. Ia dicipta oleh ahli fizik Nikola Tesla (1856 - 1943), yang mempatenkannya pada tahun 1891.

Aruhan magnetik membuat Tesla memikirkan kemungkinan menghantar tenaga elektrik tanpa campur tangan konduktor. Oleh itu, idea saintis dan penemu adalah membuat alat yang berfungsi untuk mengalihkan elektrik tanpa menggunakan kabel. Walau bagaimanapun, penggunaan mesin ini sangat tidak cekap, sehingga akhirnya tidak lagi digunakan untuk tujuan ini.

Gambar 1. Demonstrasi dengan gegelung Tesla. Sumber: Pixabay.

Walaupun begitu, gegelung Tesla masih dapat dijumpai dengan beberapa aplikasi khusus, seperti dalam tiang atau eksperimen fizik.

Sejarah

Gegelung itu dibuat oleh Tesla sejurus selepas eksperimen Hertz terungkap. Tesla sendiri menyebutnya "alat untuk menghantar tenaga elektrik." Tesla ingin membuktikan bahawa elektrik boleh dihantar tanpa wayar.

Di makmal Colorado Springs, Tesla mempunyai gegelung 16 meter yang melekat pada antena. Peranti ini digunakan untuk melakukan eksperimen penghantaran tenaga.

Eksperimen dengan gegelung Tesla.

Pada satu ketika, ada kemalangan yang disebabkan oleh gegelung ini di mana dinamo dari loji janakuasa yang terletak 10 kilometer jauhnya terbakar. Akibat kegagalan itu, busur elektrik dihasilkan di sekitar belitan dinamos.

Tidak ada satu pun yang mengecewakan Tesla, yang terus bereksperimen dengan banyak reka bentuk gegelung, yang kini dikenali dengan namanya.

Bagaimanakah ia berfungsi?

Gegelung Tesla yang terkenal adalah salah satu daripada banyak reka bentuk yang dibuat oleh Nikola Tesla untuk menghantar elektrik tanpa wayar. Versi asalnya berukuran besar dan menggunakan sumber voltan tinggi dan arus tinggi.

Secara semula jadi hari ini terdapat reka bentuk yang lebih kecil, padat dan buatan sendiri yang akan kita terangkan dan terangkan di bahagian seterusnya.

Rajah 2. Skematik gegelung Tesla asas. Sumber: buatan sendiri.

Reka bentuk berdasarkan versi asal gegelung Tesla adalah yang ditunjukkan dalam gambar di atas. Gambarajah elektrik pada rajah sebelumnya boleh dibahagikan kepada tiga bahagian.

Sumber (F)

Sumbernya terdiri daripada penjana arus ulang-alik dan pengubah keuntungan tinggi. Output sumber biasanya antara 10,000 V dan 30,000 V.

Litar resonan LC 1 pertama

Ini terdiri daripada suis S yang dikenali sebagai "Spark Gap" atau "Explosor", yang menutup litar ketika percikan melonjak di antara hujungnya. Litar LC 1 juga mempunyai kapasitor C1 dan gegelung L1 yang dihubungkan secara bersiri.

Litar resonan kedua LC 2

Litar LC 2 terdiri daripada gegelung L2 yang mempunyai nisbah putaran sekitar 100 hingga 1 berbanding gegelung L1 dan kapasitor C2. Kapasitor C2 menghubungkan ke gegelung L2 melalui tanah.

Gegelung L2 biasanya merupakan luka dawai dengan enamel penebat pada tiub bahan bukan konduktif seperti seramik, kaca atau plastik. Gegelung L1, walaupun tidak ditunjukkan seperti ini dalam rajah, dililit pada gegelung L2.

Kapasitor C2, seperti semua kapasitor, terdiri daripada dua plat logam. Dalam gegelung Tesla, salah satu plat C2 biasanya berbentuk kubah sfera atau toroidal dan dihubungkan secara bersiri dengan gegelung L2.

Papan C2 yang lain adalah persekitaran yang berdekatan, contohnya alas logam selesai dalam sfera dan disambungkan ke tanah untuk menutup litar dengan hujung L2 yang lain, juga disambungkan ke tanah.

Mekanisme tindakan

Apabila gegelung Tesla dihidupkan, sumber voltan tinggi mengenakan kapasitor C1. Apabila ini mencapai voltan yang cukup tinggi, ia akan membuat percikan api pada suis S (jurang percikan atau peledak), menutup litar resonan I.

Kemudian kapasitor C1 melepaskan melalui gegelung L1 menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah. Medan magnet pemboleh ubah ini juga melalui gegelung L2 dan mendorong daya elektromotif pada gegelung L2.

Kerana L2 lebih kurang 100 putaran lebih lama daripada L1, voltan elektrik di L2 100 kali lebih besar daripada L1. Oleh kerana di L1 voltan berada pada tahap 10.000 volt, maka di L2 ia akan menjadi 1 juta volt.

Tenaga magnet yang terkumpul di L2 dipindahkan sebagai tenaga elektrik ke kapasitor C2, yang apabila mencapai nilai voltan maksimum dari satu juta volt mengionkan udara, menghasilkan percikan dan dikeluarkan secara tiba-tiba melalui tanah. Pelepasan berlaku antara 100 hingga 150 kali sesaat.

Litar LC1 disebut resonan kerana tenaga terkumpul di kapasitor C1 melepasi ke gegelung L1 dan sebaliknya; iaitu, ayunan berlaku.

Perkara yang sama berlaku pada litar resonan LC2, di mana tenaga magnetik gegelung L2 dipindahkan sebagai tenaga elektrik ke kapasitor C2 dan sebaliknya. Maksudnya, bahawa dalam litar arus ulang-alik dihasilkan secara bergantian.

Frekuensi ayunan semula jadi dalam litar LC adalah

Resonans dan induksi bersama

Apabila tenaga yang dibekalkan ke litar LC berlaku pada frekuensi yang sama dengan frekuensi ayunan litar semula jadi, maka pemindahan tenaga adalah optimum, menghasilkan penguatan maksimum dalam arus litar. Fenomena ini yang biasa berlaku pada semua sistem berayun dikenali sebagai resonans.

Litar LC1 dan LC2 digabungkan secara magnetis, fenomena lain yang disebut saling induksi.

Untuk pemindahan tenaga yang optimum dari litar LC1 ke LC2 dan sebaliknya, frekuensi ayunan semula jadi kedua litar mesti sepadan, dan mereka juga harus sepadan dengan frekuensi sumber voltan tinggi.

Ini dicapai dengan menyesuaikan nilai kapasitansi dan induktansi di kedua litar, sehingga frekuensi ayunan bertepatan dengan frekuensi sumber:

Apabila ini berlaku, kuasa dari sumber dipindahkan secara berkesan ke litar LC1 dan dari LC1 ke LC2. Dalam setiap kitaran ayunan, tenaga elektrik dan magnet yang terkumpul di setiap litar meningkat.

Apabila voltan elektrik melintasi C2 cukup tinggi, maka tenaga dilepaskan dalam bentuk kilat dengan melepaskan C2 ke tanah.

Gegelung Tesla menggunakan

Idea asal Tesla dalam eksperimennya dengan gegelung ini adalah selalu mencari jalan untuk menghantar tenaga elektrik pada jarak jauh tanpa pendawaian.

Walau bagaimanapun, kecekapan kaedah ini yang rendah kerana kehilangan tenaga oleh penyebaran ke persekitaran menjadikannya perlu mencari kaedah lain untuk menghantar tenaga tenaga elektrik. Pendawaian hari ini masih digunakan.

Lampu plasma, yang membantu mengembangkan percubaan Tesla.

Walau bagaimanapun, banyak idea asal Nikola Tesla masih terdapat dalam sistem penghantaran berwayar masa kini. Sebagai contoh, transformer step-up di pencawang elektrik untuk penghantaran melalui kabel dengan kerugian yang lebih sedikit, dan transformer step-down untuk pengedaran kediaman, dirancang oleh Tesla.

Walaupun tidak menggunakan skala besar, gegelung Tesla tetap berguna dalam industri elektrik voltan tinggi untuk menguji sistem penebat, menara dan alat elektrik lain yang mesti berfungsi dengan selamat. Mereka juga digunakan dalam pelbagai pertunjukan untuk menghasilkan kilat dan percikan api, serta dalam beberapa eksperimen fizik.

Penting untuk mengambil langkah keselamatan dalam eksperimen voltan tinggi dengan gegelung Tesla yang besar. Contohnya ialah penggunaan sangkar Faraday untuk perlindungan pemerhati dan pakaian mesh logam untuk pelaku yang mengambil bahagian dalam pertunjukan dengan kekili ini.

Bagaimana membuat gegelung Tesla buatan sendiri?

Komponen

Tiada sumber AC voltan tinggi akan digunakan dalam versi mini gegelung Tesla ini. Sebaliknya, sumber kuasa akan menjadi bateri 9 V, seperti yang ditunjukkan dalam gambar rajah 3.

Rajah 3. Skematik untuk membina gegelung Tesla mini. Sumber: buatan sendiri.

Perbezaan lain dari versi Tesla yang asal adalah penggunaan transistor. Dalam kes kami, ia akan menjadi 2222A, yang merupakan transistor NPN isyarat rendah tetapi dengan tindak balas pantas atau frekuensi tinggi.

Litar ini juga mempunyai suis S, gegelung utama 3 putaran L1 dan gegelung sekunder L2 275 putaran minimum, tetapi juga dapat antara 300 dan 400 putaran.

Gegelung utama dapat dibina dengan wayar biasa dengan penebat plastik, tetapi gegelung sekunder memerlukan wayar tipis yang ditutup dengan pernis penebat, yang biasanya digunakan dalam belitan. Penggulungan boleh dilakukan pada kadbod atau tiub plastik yang berdiameter antara 3 hingga 4 cm.

Menggunakan transistor

Harus diingat bahawa pada zaman Nikola Tesla tidak ada transistor. Dalam kes ini transistor menggantikan "celah percikan" atau "peledak" versi asal. Transistor akan digunakan sebagai gerbang yang membenarkan atau tidaknya arus semasa. Untuk ini, transistor terpolarisasi seperti berikut: pengumpul c ke terminal positif dan pemancar e ke terminal negatif bateri.

Apabila asas b mempunyai polarisasi positif, maka ia membenarkan aliran arus dari pemungut ke pemancar, dan sebaliknya ia menghalangnya.

Dalam skema kami, asas dihubungkan dengan positif bateri, tetapi perintang 22 kilo ohm dimasukkan, untuk mengehadkan lebihan arus yang dapat membakar transistor.

Litar juga menunjukkan diod LED yang boleh berwarna merah. Fungsinya akan dijelaskan kemudian.

Di hujung bebas lilitan sekunder L2 bola logam kecil diletakkan, yang dapat dibuat dengan menutup bola polistirena atau bola pin pong dengan aluminium foil.

Sfera ini adalah plat kapasitor C, plat lain adalah persekitaran. Inilah yang dikenali sebagai keupayaan parasit.

Bagaimana Gegelung Tesla Mini Berfungsi

Apabila suis S ditutup, pangkal transistor positif bias, dan hujung gegelung primer juga bias positif. Jadi arus tiba-tiba muncul yang melewati gegelung utama, mengikuti pengumpul, meninggalkan pemancar, dan kembali ke bateri.

Arus ini berkembang dari nol ke nilai maksimum dalam waktu yang sangat singkat, sebab itulah ia mendorong daya elektromotif dalam gegelung sekunder. Ini menghasilkan arus yang mengalir dari bawah gegelung L2 ke dasar transistor. Arus ini secara tiba-tiba menghentikan polarisasi positif asas sehingga aliran arus melalui primer berhenti.

Dalam beberapa versi, diod LED dikeluarkan dan litar berfungsi. Walau bagaimanapun, meletakkannya meningkatkan kecekapan dalam memotong bias asas transistor.

Apa yang berlaku semasa arus beredar?

Semasa kitaran pertumbuhan arus pesat di litar primer daya elektromotif disebabkan gegelung sekunder. Oleh kerana nisbah putaran antara primer dan sekunder adalah 3 hingga 275, hujung gegelung bebas L2 mempunyai voltan 825 V sehubungan dengan tanah.

Kerana perkara di atas, medan elektrik yang kuat dihasilkan dalam sfera kapasitor C yang mampu mengionkan gas pada tekanan rendah dalam tiub neon atau lampu pendarfluor yang menghampiri sfera C dan mempercepat elektron bebas di dalam tiub. untuk membangkitkan atom yang menghasilkan pancaran cahaya.

Semasa arus tiba-tiba berhenti melalui gegelung L1 dan gegelung L2 yang dikeluarkan melalui udara yang mengelilingi C menuju ke tanah, kitaran dimulakan semula.

Perkara penting dalam litar jenis ini adalah bahawa semuanya berlaku dalam masa yang sangat singkat, sehingga anda mempunyai pengayun frekuensi tinggi. Dalam litar jenis ini, getaran atau ayunan pantas yang dihasilkan oleh transistor lebih penting daripada fenomena resonans yang dijelaskan di bahagian sebelumnya dan merujuk kepada versi asal gegelung Tesla.

Mencadangkan eksperimen dengan gegelung Tesla mini

Setelah gegelung Tesla mini dibina, adalah mungkin untuk bereksperimen dengannya. Jelas, kilat dan percikan versi asal tidak akan dihasilkan.

Walau bagaimanapun, dengan bantuan mentol pendarfluor atau tiub neon, kita dapat memerhatikan bagaimana kesan gabungan medan elektrik yang kuat yang dihasilkan di kapasitor pada akhir gegelung dan frekuensi ayunan tinggi medan itu, membuat lampu cahaya hanya menghampiri sfera pemeluwap.

Medan elektrik yang kuat mengionkan gas tekanan rendah di dalam tiub, meninggalkan elektron bebas di dalam gas. Oleh itu, frekuensi litar yang tinggi menyebabkan elektron bebas di dalam tiub pendarfluor mempercepat dan membangkitkan serbuk pendarfluor yang melekat pada dinding dalam tiub, menyebabkannya memancarkan cahaya.

Anda juga boleh membawa LED bercahaya lebih dekat ke sfera C, memerhatikan bagaimana lampu menyala walaupun pin LED belum disambungkan.

Rujukan

1. Teori gegelung Blake, T. Tesla. Dipulihkan dari: tb3.com.
2. Burnett, R. Operasi gegelung Tesla. Dipulihkan dari: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizik: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. Bukit MacGraw. 626-628.
4. Universiti Wisconsin-Madison. Gegelung Tesla. Dipulihkan dari: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Gegelung Tesla. Dipulihkan dari: wikiwand.com.