PDF《特斯拉线圈的制作与原理》

2015/11/20

1 特斯拉线圈的制作与原理 李宜伦 PB14203250 实物尚未完全完成,仅供参考.

目录 1.制作材料 2.原理简述 (1)LC振荡电路固有频率推导 (2)电容电感的计算 (3)打火器作用 (4)升压原理 3.制作过程及结果分析 制作材料 1.不锈钢圆球2个(d=20cm,d=5.05cm) 2.PVC管三根(d=11cm,9cm,4cm) 3.电视机高压包 4.高压瓷片电容 (图片为很多个串联,并联在一 起的电容阵) 2015/11/20

2 5.ZVS电路 以及漆包线两卷(d=0.25mm,1.5mm) 导线若干. ZVS(zero voltageswitch):作用就是使低压直流电变成低压高频交流电,为电视 机高压包升压提供准备. 原理简述 当策动力的频率和系统的固有频率相等时,系统受迫振动的振幅 最大,这种现象叫共振.电路里的谐振其实也是这个意思:当电路 中激励的频率等于电路的固有频率时,电路的电磁振荡的振幅也将 达到峰值.实际上,共振和谐振表达的是同样一种现象. 特斯拉线圈所应用的原理主要就是LC振荡电路的谐振. 图为特斯拉线圈的原理图,其中充电所用电源为8000V左右的高压 源.另外图中次级电容为金属球与大地形成的等效电容,由于个人 制作的线圈功率较小,所以放电时的等效电容使用的是两个金属球 构成的等效电容. LC电路固有频率 ? 考虑在一个LC震荡电路中,R为导线产生的等效电阻,可 列出以下公式. 其中 ? 化简为 式中 由于R为导线产生电阻很小,L为线圈电感.R/2L为小量, 所以β近似等于0. 则原式解为 电容电感值计算 电容如图 设1球带电Q,2球带电-Q,U1为1球壳上 电势,U2为2球壳上电势. 2015/11/20

3 ? 电感值计算 ? 螺线管电感(电磁学书p197例7.7) 其中 N为线圈匝数,r为螺线管半径 打火器的作用 当两电极距离不大,电压又足够高时,处在期间的空气 将由于存在巨大的电场而电离,产生正负离子,电路导通, 也就是空气被击穿. 空气击穿往往需要很大的电压,不过有趣的是一旦空气 被击穿后即使电压下降电路依然在一定时间内导通.我认 为的解释是空气开始处在一个大的电压下,在一定区域内 的空气分子都处在相同的状态,大家同时电离形成正负离 子,即使之后电压下降不能够再电离空气分子,已有的正 负离子依然能够向两极运动形成电流. 所以打火器使得能够把电容所储存的电能一瞬间释放出 来. (1)电容的充放电 暂时只考虑电路的左半面 将t=0时刻,q=0带入解出 此式为电容充电时两端电压随时间变化函数关系.其中C为10e(-6)次方量级,R为10e(3)量级.当U=0.95E时,充电时间t大概为10e(-3)量级 现考虑电容放电过程,暂时只考虑右侧部 分.LC电路方程之前已经计算,如下 将初始条件带入,t=0时,q=q0. 考虑到这是放电过程,所以时间只能进行1/4个周期( 1/4个周期后从方程 上看就开始充电了) 初级线圈大概10圈左右,u0=4Pi*10e(-7),r大概5cm.L量级为10e(-7),C的 量级也为10e(-7),时间间隔为10e(-7)量级. 打火器打火频率 电容充电时间量级 放电时间量级 所以频率f的量级大概在kHz 直观的来理解,特斯拉线圈就是利用 来储存能量,用 来释放能量.不过从宏观上看无论充电还是放电时间间隔都非常的 短,所以看起来是产生了一个持续的很大的电流. 2015/11/20

4 升压原理――产生电压的计算. 采取一个近似,有限长螺线管产生的磁场看成无限长螺线管产生的,则有 上一页电容放电过程方程,两边对时间t求导 此处做一近似,初级线圈与次级线圈嵌套在一起,假设他们耦合的很好, 磁通量是相同的. 注意:此处的N2为次级线圈 的,S为初级线圈的 此处再做一近似,假设电容开始放电时电压值就为充电电源电压E n是单位长度线圈数,所以可以写成 带入整理得 这个式子是从许多近似推导出来的,制作时效果也与自己的期望相差很多, 不过这个式子给我们提供了如何增大特斯拉线圈的思路.为提高放电终端的 电压可以增大供电电源的电压(使用电视机升压包可以升高到几kv),增大两 个线圈的匝数比(2000:10),不过两个螺线管的半径之比接近1:1,没什么可做 文章的地方.一是螺线管的半径比不容易增加,二是当两螺线管半径相差很 多时耦合程度将大大降低.所以考虑到PVC管厚度,选取了刚好差不多能嵌 套在一起r1=11cm,r2=9cm的两个管子. 最终我的小型特斯拉线圈放电终端理论能达到的电压值大约在 左右 制作过程与结果分析 制作过程首先进行了使用了石英灯镇流器(输入市电,输出12V高频交流电),将 石英灯镇流器的输出端绕在电视机高压包外部的铁心上.(此处自己忘照相了, 放一张网上的图片) 之后高压包就会在自己的一个引脚和线之间输出高压(几kv 到10kv)用这个作为特斯拉线圈的供电电源. 后来只是把石英灯镇流器换做了ZVS电路,他 们同样输出低压高频交流电,不过ZVS输入 电压是12V直流电,所以就可以用市面上的 12V移动电源就行了,可以使整个装置到处 移动,关于ZVS电路的原理没有分析清楚, 我想,通过后面的学习可能自己就能够很 好的理解了. 2015/11/20

5 之后就是电容阵的制作了,为了能够承受高压电源的电压,又要使电 容相对大.我选用耐高压的瓷片电容10个串联 在将串联起来作为一组,并联了12组. 之后就是打火器的制作了,图为我失败的打 火器. 失败原因分析: 打火器要利用尖端 放电, 后来改用导线做放电端就解决了这个问题. 然后就是最耗力的工作了,左边这跟管子,密密麻麻缠满了铜线,2000+圈,也数不过来了. 这个就是之前理论推导里的匝数N2的次级线圈. 结果及分析: 最后试验了几次,电压值远远没有达到自己 的预期,最多只能放几cm的电弧.原因我 想应该是理论偏差太大,自己的震荡电路 频率没有很好的对上,自己高压包升压也 有问题,供电电源本身电压值就不高.可 能是铁芯上绕线不够紧密,使得漏磁严重, 不能很有效率的升压.我想更多的问题应 该还等待着我去发现. 仅以这个十分拙劣的小作品缅怀伟大的科学家――尼古拉特斯拉先生