ขดลวดเทสลา: ประวัติวิธีการทำงานมีไว้เพื่ออะไร - กายภาพ

ขดลวดเทสลาเป็นคดเคี้ยวฟังก์ชั่นที่เป็นแรงดันสูง, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความถี่สูง คิดค้นโดยนักฟิสิกส์ Nikola Tesla (1856-1943) ซึ่งจดสิทธิบัตรในปีพ. ศ. 2434

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กทำให้ Tesla คิดถึงความเป็นไปได้ในการส่งพลังงานไฟฟ้าโดยไม่มีการแทรกแซงของตัวนำ ดังนั้นความคิดของนักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์คือการสร้างอุปกรณ์ที่จะทำหน้าที่ในการถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้สายเคเบิล อย่างไรก็ตามการใช้เครื่องนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากดังนั้นจึงถูกทิ้งในไม่ช้าเพื่อจุดประสงค์นี้

รูปที่ 1. การสาธิตด้วยขดลวดเทสลา ที่มา: Pixabay

ถึงกระนั้นขดลวดเทสลาก็ยังสามารถพบได้ในแอปพลิเคชั่นเฉพาะบางอย่างเช่นในเสาหรือในการทดลองทางฟิสิกส์

ประวัติศาสตร์

ขดลวดถูกสร้างขึ้นโดย Tesla ไม่นานหลังจากการทดลองของ Hertz เกิดขึ้น เทสลาเองเรียกมันว่า "อุปกรณ์สำหรับส่งพลังงานไฟฟ้า" Tesla ต้องการพิสูจน์ว่าสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องใช้สายไฟ

ในห้องปฏิบัติการโคโลราโดสปริงส์ของเขา Tesla มีขดลวดขนาดใหญ่ 16 เมตรที่ติดอยู่กับเสาอากาศ อุปกรณ์ดังกล่าวถูกใช้เพื่อทำการทดลองการส่งผ่านพลังงาน

ทดลองกับขดลวดเทสลา

มีอยู่ครั้งหนึ่งเกิดอุบัติเหตุจากขดลวดนี้ซึ่งไดนาโมจากโรงไฟฟ้าที่อยู่ห่างออกไป 10 กิโลเมตรถูกไฟไหม้ อันเป็นผลมาจากความล้มเหลวทำให้เกิดส่วนโค้งไฟฟ้ารอบ ๆ ขดลวดของไดนาโม

ไม่มีใครท้อใจ Tesla ที่ยังคงทดลองออกแบบขดลวดจำนวนมากซึ่งปัจจุบันเป็นที่รู้จักในชื่อของเขา

มันทำงานอย่างไร?

ขดลวด Tesla ที่มีชื่อเสียงเป็นหนึ่งในการออกแบบมากมายที่ Nikola Tesla ทำขึ้นเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าโดยไม่ใช้สายไฟ เวอร์ชันดั้งเดิมมีขนาดใหญ่และใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงและกระแสสูง

โดยปกติแล้วปัจจุบันมีการออกแบบที่เล็กกะทัดรัดและทำเองที่เราจะอธิบายและอธิบายในส่วนถัดไป

รูปที่ 2. แผนผังของขดลวดเทสลาพื้นฐาน ที่มา: self made.

การออกแบบตามรุ่นดั้งเดิมของขดลวดเทสลาเป็นแบบที่แสดงในรูปด้านบน แผนภาพไฟฟ้าในรูปก่อนหน้านี้สามารถแบ่งออกเป็นสามส่วน

ที่มา (F)

แหล่งที่มาประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและหม้อแปลงกำลังสูง โดยทั่วไปเอาต์พุตต้นทางจะอยู่ระหว่าง 10,000 V ถึง 30,000 V.

วงจรเรโซแนนซ์ LC 1 แรก

ประกอบด้วยสวิตช์ S ที่เรียกว่า "Spark Gap" หรือ "Explosor" ซึ่งจะปิดวงจรเมื่อประกายไฟกระโดดระหว่างปลายของมัน วงจร LC 1 ยังมีตัวเก็บประจุ C1 และขดลวด L1 ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

วงจรเรโซแนนซ์ที่สอง LC 2

วงจร LC 2 ประกอบด้วยขดลวด L2 ที่มีอัตราส่วนการหมุนประมาณ 100 ต่อ 1 เทียบกับขดลวด L1 และตัวเก็บประจุ C2 Capacitor C2 เชื่อมต่อกับขดลวด L2 ผ่านกราวด์

ขดลวด L2 มักจะเป็นลวดพันกับเคลือบฉนวนบนท่อของวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าเช่นเซรามิกแก้วหรือพลาสติก ขดลวด L1 แม้ว่าจะไม่แสดงเช่นนี้ในแผนภาพ แต่จะพันอยู่บนขดลวด L2

Capacitor C2 เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุทั้งหมดประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่น ในขดลวดเทสลาแผ่น C2 แผ่นหนึ่งมักมีรูปร่างเป็นทรงกลมหรือโดมทรงกลมและเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับขดลวด L2

บอร์ดอื่นของ C2 คือสภาพแวดล้อมใกล้เคียงตัวอย่างเช่นแท่นโลหะที่ทำในทรงกลมและเชื่อมต่อกับกราวด์เพื่อปิดวงจรด้วยปลายอีกด้านของ L2 ซึ่งเชื่อมต่อกับกราวด์ด้วย

กลไกการออกฤทธิ์

เมื่อขดลวดเทสลาเปิดอยู่แหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงจะชาร์จตัวเก็บประจุ C1 เมื่อถึงแรงดันไฟฟ้าที่สูงเพียงพอมันจะทำให้เกิดประกายไฟกระโดดในสวิตช์ S (ช่องว่างของประกายไฟหรือระเบิด) ปิดวงจรเรโซแนนซ์ I

จากนั้นตัวเก็บประจุ C1 จะปล่อยผ่านขดลวด L1 ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กแปรผัน สนามแม่เหล็กแปรผันนี้ยังผ่านขดลวด L2 และทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าบนขดลวด L2

เนื่องจาก L2 ยาวกว่า L1 ประมาณ 100 รอบแรงดันไฟฟ้าทั่ว L2 จึงมากกว่า L1 ถึง 100 เท่า และเนื่องจากใน L1 แรงดันไฟฟ้าอยู่ในลำดับ 10,000 โวลต์ดังนั้นใน L2 จะเป็น 1 ล้านโวลต์

พลังงานแม่เหล็กที่สะสมใน L2 จะถูกถ่ายโอนเป็นพลังงานไฟฟ้าไปยังตัวเก็บประจุ C2 ซึ่งเมื่อถึงค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของลำดับหนึ่งล้านโวลต์จะทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนจะก่อให้เกิดประกายไฟและถูกปล่อยออกมาทันทีผ่านพื้นดิน การปลดปล่อยเกิดขึ้นระหว่าง 100 ถึง 150 ครั้งต่อวินาที

วงจร LC1 เรียกว่าเรโซแนนซ์เนื่องจากพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ C1 ส่งผ่านไปยังขดลวด L1 และในทางกลับกัน นั่นคือการสั่นจะเกิดขึ้น

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นในวงจรเรโซแนนซ์ LC2 ซึ่งพลังงานแม่เหล็กของขดลวด L2 จะถูกถ่ายโอนเป็นพลังงานไฟฟ้าไปยังตัวเก็บประจุ C2 และในทางกลับกัน กล่าวคือในวงจรจะมีการผลิตกระแสแบบไปกลับสลับกัน

ความถี่การสั่นตามธรรมชาติในวงจร LC คือ

การสั่นพ้องและการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน

เมื่อพลังงานที่จ่ายให้กับวงจร LC เกิดขึ้นที่ความถี่เดียวกับความถี่ธรรมชาติของการสั่นของวงจรการถ่ายโอนพลังงานจะเหมาะสมที่สุดทำให้เกิดการขยายสูงสุดในกระแสของวงจร ปรากฏการณ์นี้ที่พบบ่อยในระบบสั่นทั้งหมดเรียกว่าเรโซแนนซ์

วงจร LC1 และ LC2 เป็นคู่แม่เหล็กอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่เรียกว่าการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน

เพื่อให้การถ่ายโอนพลังงานจากวงจร LC1 ไปยัง LC2 และในทางกลับกันเป็นไปอย่างเหมาะสมความถี่การสั่นตามธรรมชาติของทั้งสองวงจรจะต้องตรงกันและควรตรงกับความถี่ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงด้วย

สิ่งนี้ทำได้โดยการปรับค่าความจุและค่าความเหนี่ยวนำในทั้งสองวงจรเพื่อให้ความถี่การสั่นตรงกับความถี่ต้นทาง:

เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้พลังงานจากแหล่งกำเนิดจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจร LC1 และจาก LC1 ไปยัง LC2 อย่างมีประสิทธิภาพ ในแต่ละรอบของการสั่นพลังงานไฟฟ้าและแม่เหล็กที่สะสมในแต่ละวงจรจะเพิ่มขึ้น

เมื่อแรงดันไฟฟ้าทั่ว C2 สูงพอพลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปของฟ้าผ่าโดยการปล่อย C2 ลงกราวด์

ขดลวดเทสลาใช้

แนวคิดดั้งเดิมของ Tesla ในการทดลองกับขดลวดเหล่านี้คือการหาวิธีส่งพลังงานไฟฟ้าในระยะทางไกลโดยไม่ต้องเดินสายไฟ

อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพต่ำของวิธีนี้เนื่องจากการสูญเสียพลังงานโดยการกระจายตัวผ่านสิ่งแวดล้อมทำให้จำเป็นต้องมองหาวิธีอื่นในการส่งพลังงานพลังงานไฟฟ้า ทุกวันนี้ยังใช้การเดินสายไฟอยู่

หลอดไฟพลาสม่าซึ่งช่วยพัฒนาการทดลองของ Tesla

อย่างไรก็ตามแนวคิดดั้งเดิมของ Nikola Tesla ยังคงมีอยู่ในระบบส่งกำลังแบบมีสายในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่นหม้อแปลงไฟฟ้าแบบ step-up ในสถานีไฟฟ้าย่อยสำหรับการส่งผ่านสายเคเบิลที่มีการสูญเสียน้อยลงและหม้อแปลงแบบ step-down สำหรับจำหน่ายในบ้านถูกคิดค้นโดย Tesla

แม้จะไม่มีการใช้งานขนาดใหญ่ขดลวดของ Tesla ยังคงมีประโยชน์ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าแรงสูงสำหรับการทดสอบระบบฉนวนอาคารและอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ ที่ต้องทำงานได้อย่างปลอดภัย นอกจากนี้ยังใช้ในการแสดงต่างๆเพื่อสร้างสายฟ้าและประกายไฟรวมถึงการทดลองทางฟิสิกส์บางอย่าง

สิ่งสำคัญคือต้องใช้มาตรการด้านความปลอดภัยในการทดลองไฟฟ้าแรงสูงกับขดลวดเทสลาขนาดใหญ่ ตัวอย่างคือการใช้กรงฟาราเดย์เพื่อป้องกันผู้สังเกตการณ์และชุดตาข่ายโลหะสำหรับนักแสดงที่เข้าร่วมการแสดงด้วยวงล้อเหล่านี้

วิธีทำขดลวดเทสลาแบบโฮมเมด

ส่วนประกอบ

จะไม่มีการใช้แหล่งจ่ายไฟ AC แรงดันสูงในขดลวดเทสลารุ่นจิ๋วนี้ ในทางตรงกันข้ามแหล่งพลังงานจะเป็นแบตเตอรี่ 9 V ดังแสดงในแผนภาพในรูปที่ 3

รูปที่ 3. แผนผังเพื่อสร้างขดลวดเทสลาขนาดเล็ก ที่มา: self made.

ความแตกต่างอื่น ๆ จาก Tesla เวอร์ชันดั้งเดิมคือการใช้ทรานซิสเตอร์ ในกรณีของเราจะเป็น 2222A ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ NPN สัญญาณต่ำ แต่มีการตอบสนองที่รวดเร็วหรือความถี่สูง

วงจรยังมีสวิตช์ S, ขดลวดปฐมภูมิ 3 รอบ L1 และขดลวดทุติยภูมิ L2 ที่ 275 รอบต่ำสุด แต่ก็สามารถอยู่ระหว่าง 300 ถึง 400 รอบ

ขดลวดปฐมภูมิสามารถสร้างด้วยลวดทั่วไปที่มีฉนวนพลาสติก แต่ขดลวดทุติยภูมิต้องใช้ลวดเส้นเล็กที่เคลือบด้วยฉนวนซึ่งมักจะใช้ในขดลวด การม้วนสามารถทำได้บนกระดาษแข็งหรือหลอดพลาสติกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 3 ถึง 4 ซม.

การใช้ทรานซิสเตอร์

ควรจำไว้ว่าในสมัยของ Nikola Tesla ไม่มีทรานซิสเตอร์ ในกรณีนี้ทรานซิสเตอร์จะแทนที่ "ช่องว่างของประกายไฟ" หรือ "ระเบิด" ของรุ่นดั้งเดิม ทรานซิสเตอร์จะถูกใช้เป็นประตูที่อนุญาตหรือไม่ผ่านของกระแส สำหรับสิ่งนี้ทรานซิสเตอร์จะมีโพลาไรซ์ดังนี้: ตัวเก็บรวบรวม c ไปยังขั้วบวกและตัวปล่อย e ไปยังขั้วลบของแบตเตอรี่

เมื่อฐาน b มีโพลาไรเซชันเป็นบวกมันจะยอมให้กระแสไหลจากตัวเก็บรวบรวมไปยังตัวปล่อยและมิฉะนั้นจะป้องกันไม่ให้

ในโครงร่างของเราฐานเชื่อมต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ แต่ใส่ตัวต้านทาน 22 กิโลโอห์มเพื่อ จำกัด กระแสส่วนเกินที่สามารถเผาทรานซิสเตอร์ได้

วงจรยังแสดงไดโอด LED ที่สามารถเป็นสีแดง ฟังก์ชันของมันจะอธิบายในภายหลัง

ที่ปลายด้านฟรีของขดลวดทุติยภูมิ L2 จะมีลูกบอลโลหะขนาดเล็กวางอยู่ซึ่งสามารถทำได้โดยการหุ้มลูกโพลีสไตรีนหรือลูกปิงปองด้วยอลูมิเนียมฟอยล์

ทรงกลมนี้เป็นแผ่นของตัวเก็บประจุ C ส่วนอีกแผ่นเป็นสิ่งแวดล้อม นี่คือสิ่งที่เรียกว่าจุกาฝาก

Mini Tesla Coil ทำงานอย่างไร

เมื่อปิดสวิตช์ S ฐานของทรานซิสเตอร์จะมีความเอนเอียงในเชิงบวกและปลายด้านบนของขดลวดปฐมภูมิก็มีความเอนเอียงในเชิงบวกเช่นกัน ดังนั้นกระแสจะปรากฏขึ้นทันทีที่ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิผ่านตัวเก็บรวบรวมออกจากตัวปล่อยและกลับไปที่แบตเตอรี่

กระแสไฟฟ้านี้เพิ่มขึ้นจากศูนย์ถึงค่าสูงสุดในเวลาอันสั้นซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิ สิ่งนี้ก่อให้เกิดกระแสจากด้านล่างของขดลวด L2 ไปยังฐานของทรานซิสเตอร์ กระแสนี้จะหยุดโพลาไรเซชันเชิงบวกของฐานทันทีเพื่อให้กระแสไหลผ่านตัวหยุดหลัก

ในบางรุ่น LED ไดโอดจะถูกถอดออกและวงจรทำงาน อย่างไรก็ตามการวางจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการตัดอคติฐานทรานซิสเตอร์

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกระแสหมุนเวียน?

ในระหว่างวัฏจักรของการเติบโตอย่างรวดเร็วของกระแสไฟฟ้าในวงจรหลักแรงเคลื่อนไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ เนื่องจากอัตราส่วนของการหมุนระหว่างหลักและรองคือ 3 ถึง 275 ปลายฟรีของขดลวด L2 จึงมีแรงดันไฟฟ้า 825 V เทียบกับกราวด์

เนื่องจากข้างต้นสนามไฟฟ้าเข้มข้นถูกผลิตขึ้นในทรงกลมของตัวเก็บประจุ C ที่สามารถทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนที่ความดันต่ำในหลอดนีออนหรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่เข้าใกล้ทรงกลม C และเร่งอิเล็กตรอนอิสระภายในหลอด เพื่อกระตุ้นอะตอมที่ปล่อยแสงออกมา

เมื่อกระแสหยุดกะทันหันผ่านขดลวด L1 และขดลวด L2 ที่ปล่อยผ่านอากาศโดยรอบ C เข้าหาพื้นวงจรจะเริ่มต้นใหม่

จุดสำคัญในวงจรประเภทนี้คือทุกอย่างเกิดขึ้นในเวลาอันสั้นเพื่อให้คุณมีออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง ในวงจรประเภทนี้การกระพือปีกหรือการสั่นอย่างรวดเร็วที่เกิดจากทรานซิสเตอร์มีความสำคัญมากกว่าปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ที่อธิบายไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้และอ้างถึงขดลวดเทสลารุ่นดั้งเดิม

เสนอการทดลองกับขดลวดเทสลาขนาดเล็ก

เมื่อสร้างขดลวดขนาดเล็กของ Tesla แล้วคุณสามารถทดลองใช้งานได้ เห็นได้ชัดว่าสายฟ้าและประกายไฟของเวอร์ชันดั้งเดิมจะไม่ถูกผลิตขึ้น

อย่างไรก็ตามด้วยความช่วยเหลือของหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์หรือหลอดนีออนเราสามารถสังเกตได้ว่าผลรวมของสนามไฟฟ้าเข้มข้นที่เกิดขึ้นในตัวเก็บประจุที่ปลายขดลวดและความถี่สูงของการสั่นของสนามนั้นทำให้หลอดไฟ สว่างขึ้นเพียงแค่เข้าใกล้คอนเดนเซอร์ทรงกลม

สนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งจะทำให้ก๊าซแรงดันต่ำภายในท่อแตกตัวเป็นไอออนโดยปล่อยให้อิเล็กตรอนอิสระอยู่ภายในก๊าซ ดังนั้นความถี่สูงของวงจรทำให้อิเล็กตรอนอิสระภายในหลอดฟลูออเรสเซนต์เร่งและกระตุ้นให้ผงเรืองแสงที่เกาะอยู่ที่ผนังด้านในของหลอดทำให้มันเปล่งแสงออกมา

คุณยังสามารถนำ LED ที่สว่างเข้ามาใกล้กับทรงกลม C ได้โดยสังเกตว่าไฟจะสว่างขึ้นแม้จะไม่ได้เชื่อมต่อหมุด LED ก็ตาม

อ้างอิง

Blake, T. ทฤษฎีขดลวดเทสลา สืบค้นจาก: tb3.com.
Burnett, R. การทำงานของขดลวดเทสลา สืบค้นจาก: richieburnett.co.uk.
Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. ฉบับที่ 7 MacGraw Hill 626-628
มหาวิทยาลัยวิสคอนซินแมดิสัน ขดลวดเทสลา กู้คืนจาก: Wonders.physics.wisc.edu.
Wikiwand ขดลวดเทสลา ดึงมาจาก: wikiwand.com.

ขดลวดเทสลา: ประวัติวิธีการทำงานมีไว้เพื่ออะไร - กายภาพ - 2025