特斯拉線圈

??你也許看到過特斯拉線圈令人驚訝的放電展示。?它究竟如何工作的呢？?下面聽聽Kathy給我們講講特斯拉線圈每一部分是如何被發(fā)明，它的工作原理是什么。

??故事發(fā)生在1826年，一位名叫斯特金的退伍士兵，?研究了纏繞在鐵棒周圍的線圈，發(fā)現(xiàn)通電之后的鐵棒具有了磁性，可以吸引金屬鐵質(zhì)物件，這就是大眾熟悉的電磁鐵。

??大約六年之后，在1831年，法拉第打算試試看可否利用磁場產(chǎn)生電流。?但他沒有那么幸運，當(dāng)時他沒有可用的強磁鐵，所以決定利用電磁鐵來實驗。?他把兩個獨立的線圈纏繞在一個鐵環(huán)兩邊。?發(fā)現(xiàn)在第一個線圈接通電壓或者斷開電壓時，第二個線圈會出現(xiàn)電流脈沖。?法拉第使用磁場的概念來解釋這個現(xiàn)象，當(dāng)線圈內(nèi)的磁場發(fā)生變化，便會在線圈中感應(yīng)出電流。?不過令法拉第感到沮喪的是，他從未能夠感受到第二個線圈上的電壓。?那個時候人們能夠測量電壓的手段并不多，只有為數(shù)不多的幾種辦法。

??幾年之后，一位來自愛爾蘭的牧師，業(yè)余科學(xué)家，名叫尼古拉斯·卡倫，?他對法拉第的裝置進(jìn)行改進(jìn)，可以獲得更強的電壓。?他把兩個線圈在同一電棒上進(jìn)行纏繞，之間是由絕緣層分隔開。?他驚奇的發(fā)現(xiàn)當(dāng)初級線圈斷開與電池的連接時，可以在次級線圈上感受到強烈的電擊。? 當(dāng)?shù)谝粋€線圈比較薄，也就是線圈匝數(shù)比較少，第二個線圈比較厚，對應(yīng)的的匝數(shù)比較多時，可以感受到第二個線圈輸出的電壓又增強了許多。?卡倫并不知道他發(fā)明了一個升壓變壓器。

??當(dāng)原邊連接電池，于是產(chǎn)生了磁場并把鐵芯變成了電磁鐵。?當(dāng)電池斷開后，鐵芯失去了磁性。?因此根據(jù)法拉第提出嶄新的電磁感應(yīng)理論，每當(dāng)電池接入線圈或者斷開時，都會在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電流。?當(dāng)副邊線圈比原邊少的時候，感應(yīng)的電壓小，但產(chǎn)生的電流大。?這也解釋了為什么法拉第可以測量到電流，但并沒有感受到線圈上的電壓刺激。?當(dāng)副邊的線圈增多時，便可以產(chǎn)生更大的電壓，人們感受的電壓刺激就越強，但輸出的電流相對變小。

??卡倫還發(fā)明了一個齒輪能夠不斷地完成電池進(jìn)入線圈和斷開，被稱為“重復(fù)器”，這樣就可以持續(xù)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。?他說這是至今為止人們所建造的產(chǎn)生高壓最好的設(shè)備。?卡倫把他的實驗結(jié)果發(fā)送給他的朋友斯特金，斯特金也制作了相同的設(shè)備，并對卡倫的方案進(jìn)行了改進(jìn)，?后來很多人將這個設(shè)備當(dāng)做折磨人的設(shè)備進(jìn)行出售，從而發(fā)了財。

??令人不可思議的是，感應(yīng)線圈居然越來越流行，也被用于醫(yī)療方面，許多病癥都可以被電擊來治療，?包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，頭疼，神經(jīng)痛，風(fēng)濕病，耳朵疼，牙疼等。

??于是人們開始競相制作可以輸出更大，輸出更加穩(wěn)定持續(xù)的電擊或者火花的設(shè)備。?其中最重要的一個發(fā)明就是設(shè)計了一種線圈自動完成通斷的設(shè)備，把原來的齒輪和手柄替代。?在原邊線圈通電時，也將鐵芯進(jìn)行磁化，于是吸引彈簧上的銜鐵擺動，并將電流斷開。此時線圈斷電，鐵芯失去磁性。釋放了銜鐵，在彈簧作用下重新連通線路。?這樣便可以形成20到40Hz的通斷，當(dāng)時被稱為電磁通斷器。

??然后，在電流通斷時會產(chǎn)生大量的火花。?到了1853年，一位法國的物理學(xué)家，名叫安阿曼德·菲扎，在電磁觸點兩端增加了萊頓瓶，相當(dāng)于增加了一個電容器。?萊頓瓶實際上是在玻璃瓶的內(nèi)外包裹了金屬膜，也是最早的電容器。?萊頓瓶的電容容量取決于金屬膜的面積和玻璃瓶壁的厚度。?自從加入了萊頓瓶，菲扎消除了電磁觸點的火花，但同時也創(chuàng)建了一個革新的設(shè)備，可以將來自電池的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電。其中的原理是什么呢？

??電池連接萊頓瓶，在內(nèi)外存儲了相反的電荷，如果使用線圈進(jìn)行短接，于是萊頓瓶放電產(chǎn)生電流脈沖。?然后，如果短接電線連接了線圈，電流脈沖通過線圈時，使得線圈內(nèi)的磁場發(fā)生變化。?變化的磁場又會在線圈內(nèi)感應(yīng)出新的電流，這是線圈的自感現(xiàn)象。?因此當(dāng)萊頓瓶在線圈放電時，放電電流會持續(xù)，甚至在萊頓瓶中的電荷是放完之后還會持續(xù)，這樣就會在萊頓瓶中產(chǎn)生相反的充電電荷。?于是萊頓瓶又開始了反方向的放電，如果放電回路中沒有電阻損耗，放電電流就會來回反復(fù)流動。?如果放電回路中存在電阻損耗，放電電流就會在每次循環(huán)中降低，直到系統(tǒng)中電能被完全釋放，沒有電流流動。?電容與線圈相連被稱為諧振回路，現(xiàn)今仍然被應(yīng)用于振蕩電流。

??振蕩頻率依賴于諧振回路中的電容和電感大小。?如果你想改變震蕩頻率，可以通過改變線圈大小和電容形狀。?利用這種方式，在19世紀(jì)50年代，人們可以將電池的直流電轉(zhuǎn)換成幾兆赫茲的交流脈沖信號，覆蓋無線電波頻率范圍。?又過了若干年，科學(xué)家引入了微分方程來描述電路的工作機(jī)制。?到了1886年，德國科學(xué)家海因里奇·赫茲利用感應(yīng)線圈第一次觀察到了無線電波。?然而赫茲并沒有認(rèn)識到他的發(fā)現(xiàn)的重要性，只是認(rèn)為證明了電磁波理論的正確性。

??現(xiàn)在我們聊聊尼古拉·特斯拉。?在1889年夏天特斯拉來到巴黎世界博覽會，聽說了有關(guān)電磁波的神奇實驗。?于是他自己著手做相應(yīng)的實驗，制作了感應(yīng)線圈，?但他又進(jìn)行了新的創(chuàng)新，將原來電磁通斷器去掉，使用一臺交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電驅(qū)動初級線圈。?這是非常實質(zhì)的改進(jìn)，不再依賴于機(jī)械裝置來產(chǎn)生交變電流，而直接使用交流發(fā)電機(jī)來提供交變電源。?為此特斯拉還同時發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)，三相交流發(fā)電機(jī)。?這些裝置功率很大，使得線圈溫度上升，燒壞了線圈的絕緣層，所以他設(shè)計了空心線圈。

??后來他發(fā)現(xiàn)初級中的了萊頓瓶時好時壞，于是將萊頓瓶移到高壓次級線圈， 并且對電容容量能夠調(diào)整。? 通過調(diào)整次級電容大小，也可以改變次級的諧振頻率，使其為初級交流頻率的整數(shù)倍數(shù)。?借助于這種方式，特斯拉產(chǎn)生了高頻高壓電流。利用次級電容，產(chǎn)生了可調(diào)諧的高頻電磁波。?當(dāng)時的特斯拉對于無線電報和無線廣播并不感興趣，他對無線電能傳輸照明應(yīng)用比較癡迷。?為此，他增加了一個諧振回路，這個回路利用單個電線便可以點亮燈泡。?他發(fā)現(xiàn)對于霓虹燈、熒光燈來說，甚至不需要任何電線連接，只要靠近高壓線圈便能夠發(fā)光。?后來人們發(fā)現(xiàn)在高壓線圈頂部增加巨大的金屬圓環(huán)，便可以產(chǎn)生非常漂亮的放電電弧。?這也是現(xiàn)如今特斯拉線圈最常見到的展示實驗。

??下面讓我們了解一下現(xiàn)代特斯拉線圈的工作機(jī)制以及它所能夠創(chuàng)造的迷人放電演示。?升壓變壓器通過次級線圈的增加來獲得更高的交流電壓。?線圈與電容器組成諧振回路。特斯拉線圈中，交流電壓首先通過升壓變壓器進(jìn)行電壓提升，相應(yīng)的輸出電流減少。這一點與當(dāng)年卡倫的變壓器作用相同。?利用放電間隙對諧振電容進(jìn)行放電，從而使得諧振回路產(chǎn)生高頻電壓。?這個高頻高壓交流電輸入到另外一個變壓器的原邊，產(chǎn)生更高的交流電壓，在次級能夠產(chǎn)生數(shù)百萬伏的高壓交流電，并對金屬圓環(huán)體進(jìn)行充電。?由于頂部圓環(huán)上的電壓非常高，于是引起空氣電離，產(chǎn)生巨大的放電現(xiàn)象。

??特斯拉被這種放電現(xiàn)象所征服，他甚至設(shè)想建立一個巨大的放電塔，將整個地球都充滿電，并點亮大氣層。?現(xiàn)實中這并不可行，他甚至游說，J·P 摩根來支持他。?在同一時期，一個意大利的年輕人的想法則比較折中和顯示，他叫古列爾莫·馬可尼，?他設(shè)想實現(xiàn)跨大西洋發(fā)送無線電報，后來他使用特斯拉線圈最終獲得成功。

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: https://www.youtube.com/watch?v=IN9jb3fzZd0&t=96s