TESLINA TULJAVA: ZGODOVINA, KAKO DELUJE, ČEMU SLUŽI - FIZIČNO - 2026

Tesla tuljava je navitje, ki deluje kot visoko-, visoko frekvenčni generator. Izumil ga je fizik Nikola Tesla (1856 - 1943), ki ga je patentiral leta 1891.

Magnetna indukcija je Tesla omislila možnost prenosa električne energije brez posredovanja prevodnikov. Zato je bila ideja znanstvenika in izumitelja ustvariti napravo, ki bi služila za prenos električne energije brez uporabe kablov. Vendar pa je uporaba tega stroja zelo neučinkovita, zato se je v ta namen kmalu opustila.

Slika 1. Demonstracija s Tesla tuljavo. Vir: Pixabay.

Kljub temu lahko Tesla tuljave še vedno najdemo z nekaterimi posebnimi aplikacijami, na primer v pilonih ali v fizikalnih poskusih.

Zgodovina

Tuljava je ustvarila Tesla kmalu po pojavu Hertzovih poskusov. Tesla sam jo je imenoval "aparat za prenos električne energije." Tesla je želel dokazati, da lahko elektriko oddajajo brez žic.

V svojem laboratoriju v Colorado Springsu je imel Tesla na razpolago ogromno 16-metrsko tuljavo, pritrjeno na anteno. Naprava je bila uporabljena za izvajanje poskusov prenosa energije.

Eksperimentirajte s Teslovimi tuljavami.

Nekoč se je zgodila nesreča, ki jo je povzročila ta tuljava, v kateri so zgoreli dinamo iz elektrarne, ki se nahaja 10 kilometrov stran. Zaradi okvare so okoli navitij dinamov nastali električni loki.

Nič od tega ni odvrnilo Tesle, ki je še naprej eksperimentiral s številnimi tuljavami tuljav, ki so zdaj znane po njegovem imenu.

Kako deluje?

Znana Teslina tuljava je ena izmed mnogih zasnov, ki jih je Nikola Tesla izdelal za prenos električne energije brez žic. Prvotne različice so bile velike velikosti in uporabljale so visokonapetostne in visoke tokovne vire.

Seveda danes obstajajo veliko manjši, kompaktni in domači dizajni, ki jih bomo opisali in razložili v naslednjem razdelku.

Slika 2. Shema osnovne Teslove tuljave. Vir: self made.

Zasnova, ki temelji na originalnih različicah Teslove tuljave, je prikazana na zgornji sliki. Električni diagram na prejšnji sliki lahko razdelimo na tri sklope.

Vir (F)

Vir je sestavljen iz generatorja izmeničnega toka in transformatorja z visokim izkoristkom. Izhodni vir je običajno med 10.000 V in 30.000 V.

Prvo LC 1 resonančno vezje

Sestavljen je iz stikala S, znanega kot "Spark Gap" ali "Explosor", ki zapre vezje, ko iskra skoči med njegove konce. LC vezje 1 ima tudi kondenzator C1 in tuljavo L1, ki sta serijsko povezana.

Drugi resonančni tokokrog LC 2

LC vezje 2 je sestavljeno iz tuljave L2, ki ima razmerje obračanja približno 100 proti 1 glede na tuljavo L1 in kondenzatorja C2. Kondenzator C2 se priključi na tuljavo L2 skozi tla.

Tuljava L2 je običajno žičnata navita z izolacijskim emajlom na cevi iz neprevodnega materiala, kot so keramika, steklo ali plastika. Tuljava L1, čeprav na diagramu ni prikazana tako, je navita na tuljavo L2.

Kondenzator C2, kot vsi kondenzatorji, je sestavljen iz dveh kovinskih plošč. V Teslinih tuljavah je ena od plošč C2 običajno v obliki sferične ali toroidne kupole in je zaporedno povezana s tuljavo L2.

Druga plošča C2 je bližnje okolje, na primer kovinski podstavek, ki je končan v krogli in povezan z zemljo, da zapre vezje z drugim koncem L2, prav tako povezanim s tlemi.

Mehanizem delovanja

Ko je Tesla tuljava vklopljena, visokonapetostni vir napolni kondenzator C1. Ko doseže dovolj visoko napetost, v stikalu S (iskrišče ali eksplozor) ustvari iskriv skok in zapre resonančni tokokrog I.

Nato se kondenzator C1 izprazni skozi tuljavo L1, ki ustvarja spremenljivo magnetno polje. To spremenljivo magnetno polje prehaja tudi skozi tuljavo L2 in inducira elektromotorno silo na tuljavo L2.

Ker je L2 približno 100 obratov daljši od L1, je električna napetost v L2 100-krat večja od napetosti L1. In ker je v L1 napetost približno 10.000 voltov, potem bo v L2 1 milijon voltov.

Magnetna energija, nabrana v L2, se kot električna energija prenese v kondenzator C2, ki, ko doseže največje vrednosti napetosti v višini milijon voltov, ionizira zrak, sproži iskrico in se naglo izprazni skozi tla. Izpusti se pojavljajo med 100 in 150 krat na sekundo.

Vezje LC1 imenujemo resonančno, ker akumulirana energija v kondenzatorju C1 prehaja v tuljavo L1 in obratno; to pomeni, da pride do nihanja.

Enako se zgodi v resonančnem vezju LC2, v katerem se magnetna energija tuljave L2 kot električna energija prenese na kondenzator C2 in obratno. To pomeni, da se v tokokrogu izmenično proizvaja krožni tok.

Naravna frekvenca nihanja v LC vezju je

Resonanca in medsebojna indukcija

Kadar se energija, dobavljena v tokokroge LC, zgodi z isto frekvenco kot naravna frekvenca nihanja tokokroga, potem je prenos energije optimalen, kar povzroči največjo ojačitev v tokokrogu. Ta pojav, ki je običajen za vse nihajne sisteme, je znan kot resonanca.

Vezja LC1 in LC2 sta magnetno povezana, še en pojav, imenovan medsebojna indukcija.

Za optimalen prenos energije iz tokokroga LC1 v LC2 in obratno se morajo naravne nihajne frekvence obeh tokokrogov ujemati, prav tako pa se morajo ujemati s frekvenco visokonapetostnega vira.

To dosežemo s prilagoditvijo vrednosti kapacitivnosti in induktivnosti v obeh vezjih, tako da frekvence nihanja sovpadajo z izvorno frekvenco:

Ko se to zgodi, se moč iz vira učinkovito prenaša v vezje LC1 in iz LC1 v LC2. V vsakem ciklu nihanja se električna in magnetna energija, nabrana v vsakem krogu, povečujeta.

Ko je električna napetost čez C2 dovolj visoka, se energija sprosti v obliki strele z odvajanjem C2 na tla.

Tesla uporablja tuljavo

Teslina prvotna ideja v njegovih poskusih s temi tuljavami je bila vedno najti način za prenos električne energije na dolge razdalje brez ožičenja.

Vendar pa je zaradi nizke učinkovitosti te metode zaradi izgub energije z razpršitvijo skozi okolje bilo potrebno iskati druga sredstva za prenos električne energije. Danes se ožičenje še vedno uporablja.

Plazemska svetilka, ki je pomagala razviti Teslin poskus.

Vendar so številne prvotne ideje Nikole Tesle še vedno prisotne v današnjih žičnih prenosnih sistemih. Tesla je na primer zasnovala povečevalne transformatorje v električnih podstanicah za prenos preko kablov z manj izgubami in padajoče transformatorje za distribucijo po domovih.

Kljub temu, da nima velike uporabe, so Tesla tuljave še naprej uporabne v visokonapetostni električni industriji za preskušanje izolacijskih sistemov, stolpov in drugih električnih naprav, ki morajo varno delovati. Uporabljajo jih tudi v različnih oddajah za ustvarjanje strele in iskri ter v nekaterih fizikalnih poskusih.

Pomembno je sprejeti varnostne ukrepe pri visokonapetostnih poskusih z velikimi Tesla tuljavami. Primer je uporaba kletk Faraday za zaščito opazovalcev in kovinske mrežaste obleke za izvajalce, ki sodelujejo v oddajah s temi koluti.

Kako narediti domačo Tesla tuljavo?

Komponente

V tej miniaturni različici tuljave Tesla ne bo uporabljen noben visokonapetostni izmenični vir. Nasprotno, vir napajanja bo 9 V baterija, kot je prikazano na diagramu na sliki 3.

Slika 3. Shema za izdelavo mini Tesla tuljave. Vir: self made.

Druga razlika od prvotne Teslove različice je uporaba tranzistorja. V našem primeru bo to 2222A, ki je nizko signalni tranzistor NPN, vendar s hitrim odzivom ali visoko frekvenco.

Vezje ima tudi stikalo S, 3-vrtljivo primarno tuljavo L1 in sekundarno tuljavo L2 275 obratov minimalno, lahko pa tudi med 300 in 400 obratov.

Primarna tuljava je lahko izdelana z navadno žico s plastično izolacijo, vendar za sekundarno tuljavo je potrebna tanka žica, prekrita z izolacijskim lakom, ki se običajno uporablja pri navitjih. Navijanje se lahko izvede na kartonski ali plastični cevi, ki je premera od 3 do 4 cm.

Uporaba tranzistorja

Treba je spomniti, da v času Nikole Tesle ni bilo tranzistorjev. V tem primeru tranzistor nadomesti "iskrico" ali "eksplozor" izvirne različice. Tranzistor se bo uporabljal kot zapornica, ki omogoča ali ne prehaja tok. Za to je tranzistor polariziran na naslednji način: kolektor c na pozitivni terminal in oddajnik e na negativni terminal akumulatorja.

Kadar ima osnova b pozitivno polarizacijo, potem omogoča prehod toka iz kolektorja v oddajnik in drugače preprečuje.

V naši shemi je osnova povezana s pozitivno močjo akumulatorja, vendar je vstavljen 22-kilogramski upor, da omejimo presežni tok, ki lahko gori tranzistor.

Vezje prikazuje tudi LED diodo, ki je lahko rdeče barve. Njegova funkcija bo pojasnjena kasneje.

Na prostem koncu sekundarne tuljave L2 je nameščena majhna kovinska kroglica, ki jo lahko naredimo tako, da pokrijemo polistirensko kroglico ali pin-pong kroglico z aluminijasto folijo.

Ta krogla je plošča kondenzatorja C, druga plošča pa je okolje. To je tisto, kar je znano kot parazitska sposobnost.

Kako deluje tuljava Mini Tesla

Ko je stikalo S zaprto, je osnova tranzistorja pozitivno pristranska, zgornji konec primarne tuljave pa je tudi pozitivno pristranski. Tako se nenadoma pojavi tok, ki gre skozi primarno tuljavo, nadaljuje skozi kolektor, zapusti oddajnik in se vrne v baterijo.

Ta tok v zelo kratkem času naraste od nič do največje vrednosti, zato v sekundarni tuljavi sproži elektromotorno silo. Tako nastane tok, ki gre od dna tuljave L2 do dna tranzistorja. Ta tok nenadoma preneha pozitivno polarizacijo baze, tako da tok skozi primarni postanek ustavi.

V nekaterih različicah se dioda LED odstrani in vezje deluje. Vendar pa njegovo nameščanje izboljša učinkovitost pri rezanju pristranskosti osnove tranzistorja.

Kaj se zgodi, ko tok kroži?

Med ciklom hitrega porasta toka v primarnem vezju je bila v sekundarni tuljavi inducirana elektromotorna sila. Ker je razmerje med zavojem med primarnim in sekundarnim 3 do 275, ima prosti konec tuljave L2 napetost 825 V glede na tla.

Zaradi navedenega nastane intenzivno električno polje v sferi kondenzatorja C, ki lahko ionizira plin pri nizkem tlaku v neonski cevi ali fluorescenčni sijalki, ki se približa sferi C in pospeši proste elektrone znotraj cevi. kot da vzbudijo atome, ki proizvajajo svetlobo.

Ko se je tok nenadoma prenehal skozi tuljavo L1 in tuljava L2, ki se izpušča skozi zrak, ki obdaja C proti tlom, se cikel znova zažene.

Pomembna točka te vrste vezja je, da se vse zgodi v zelo kratkem času, tako da imate visokofrekvenčni oscilator. Pri tej vrsti vezja je tresenje ali hitro nihanje, ki ga povzroča tranzistor, pomembnejše od resonančnega pojava, opisanega v prejšnjem razdelku, ki se nanaša na izvirno različico Teslove tuljave.

Predlagani poskusi z mini Tesla tuljavami

Ko je Tesla mini tuljava zgrajena, je mogoče z njo eksperimentirati. Očitno strele in iskrice originalnih različic ne bodo nastale.

Vendar lahko s pomočjo fluorescenčne žarnice ali neonske cevi opazimo, kako združeni učinek intenzivnega električnega polja, ustvarjenega v kondenzatorju na koncu tuljave, in visoke frekvence nihanja tega polja naredijo svetilko se prižgete le, da se približujete kondenzalni sferi.

Močno električno polje ionizira plin nizkega tlaka v cevi, pri čemer pušča proste elektrone znotraj plina. Tako visoka frekvenca vezja povzroči, da prosti elektroni znotraj fluorescenčne cevi pospešijo in vzbudijo fluorescenčni prah, ki se oprime notranje stene cevi, kar povzroči, da oddaja svetlobo.

Svetlečo LED lahko približate tudi krogli C in opazujete, kako sveti, tudi če LED-nožice niso priključene.

Reference

1. Blake, teorija tuljave T. Tesla. Pridobljeno: tb3.com.
2. Burnett, R. Delovanje tuljave Tesla. Pridobljeno iz: richieburnett.si.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja MacGraw Hill. 626–628.
4. Univerza Wisconsin-Madison. Tesla tuljava. Pridobljeno: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla tuljava. Pridobljeno: wikiwand.com.