劉曉飛 王俊平 張連昊

(濱州學(xué)院航空工程學(xué)院 山東 濱州 256600)

1 引言

特斯拉線圈是由美籍塞爾維亞裔發(fā)明家、物理學(xué)家特斯拉(Nikola Tesla 1856—1943)發(fā)明[1]，學(xué)名“分布參量高頻串聯(lián)諧振變壓器”.上百萬(wàn)伏的高壓電可以由此線圈產(chǎn)生，并且產(chǎn)生的高壓電可以把空氣中的氣體電離，電離的氣體產(chǎn)生美麗的電弧.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用音頻信號(hào)調(diào)制，能形成音樂(lè)電弧，產(chǎn)生震耳的真正的“電音”[2].

隨著科技的進(jìn)步，各式各樣的特斯拉線圈被制作出來(lái)，在科技館里有一種體型龐大的特斯拉線圈，該儀器可以產(chǎn)生閃電狀電弧，并且是大面積的，尤為美麗壯觀.然而這樣的視覺(jué)沖擊一般只有在科技館等少有的場(chǎng)合下才能體驗(yàn)到[3].本文設(shè)計(jì)制作了一個(gè)微型的電弧放電演示儀，不僅可以演示尖端放電形成美麗的電弧，還能夠演示熒光燈隔空點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)和電的無(wú)線傳輸功能，該儀器制作成本低，安全性高，適合于實(shí)驗(yàn)室和物理課堂教學(xué)使用.

2 微型電弧放電原理

特斯拉線圈是利用電路諧振進(jìn)行能量變換的高壓發(fā)生裝置[4,5].如圖1所示,由一個(gè)雙調(diào)諧耦合回路構(gòu)成[6]，它的一次回路由諧振電容和一次繞組構(gòu)成了串聯(lián)諧振回路，因?yàn)榇?lián)諧振是電壓諧振，可以獲得高壓大電流和巨大的激磁功率，二次回路可以感應(yīng)到更高的等效激勵(lì)電壓，諧振升壓后輸出更高的電壓，產(chǎn)生更加壯觀的電弧.它的工作原理與普通變壓器有較大不同，普通變壓器的耦合系數(shù)k一般接近于1，所以初級(jí)和次級(jí)電壓基本成比例關(guān)系；而特斯拉線圈的耦合系數(shù)一般都小于0.3，工作時(shí)，兩級(jí)電壓比例是隨時(shí)間變化而變化的，不成線性關(guān)系.通過(guò)串聯(lián)諧振，可以獲得與輸入信號(hào)頻率相同但是幅值擴(kuò)大很多倍的輸出信號(hào).特斯拉線圈能實(shí)現(xiàn)超高壓正是基于該原理，RC串聯(lián)諧振也常應(yīng)用于逆變器、感應(yīng)加熱等方面[7].

圖1 特斯拉線圈原理圖

3 微型電弧放電演示儀的制作

該演示儀的電路圖如圖2所示.電路主要由二管、三極管、電容器、電感、線圈和場(chǎng)效應(yīng)管組成，次級(jí)線圈作為電感，接地端和放電頂端間可以等效為電容器，起始狀態(tài)下，能量在初級(jí)線圈構(gòu)成的回路間振蕩，線圈的高頻振蕩激勵(lì)下，逐漸形成LC振蕩.當(dāng)初級(jí)LC振蕩頻率和次級(jí)線圈的振蕩頻率一致時(shí)，初級(jí)和次級(jí)線圈發(fā)生諧振，初級(jí)回路的能量傳遞到次級(jí)回路，次級(jí)回路的電壓峰值不斷增加，直到放電，放電后便會(huì)在次級(jí)線圈的尖端產(chǎn)生耀眼的電弧.如果將音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路加載到電弧上，尖端電弧則會(huì)隨著音頻信號(hào)的變化發(fā)生規(guī)律性的亮弧和滅弧，周邊空氣中電離的等離子也會(huì)隨著電弧的規(guī)律性變化發(fā)生周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的傳遞.

圖2 微型電弧放電演示儀電路圖

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示

4.1 尖端放電現(xiàn)象演示

當(dāng)特斯拉線圈工作時(shí)，初級(jí)和次級(jí)線圈發(fā)生諧振，初級(jí)回路的能量傳遞到次級(jí)回路，次級(jí)回路的電壓峰值不斷增加，如果在次級(jí)線圈加裝尖端，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下尖端就會(huì)放電，放電后便會(huì)在次級(jí)線圈的尖端產(chǎn)生耀眼的電弧.如果將音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路加載到電弧上，尖端電弧則會(huì)隨著音頻信號(hào)發(fā)生規(guī)律性的亮弧和滅弧，周邊空氣中電離的等離子也會(huì)隨著電弧的規(guī)律性變化發(fā)生周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的傳遞如圖3所示.

圖3 音頻調(diào)制后尖端放電現(xiàn)象

4.2 點(diǎn)亮熒光燈管的演示

正常的室內(nèi)使用的熒光燈，是等離子發(fā)光，但是需要接220 V的市電，并且在鎮(zhèn)流器的作用下，產(chǎn)生瞬間高壓，使得燈管內(nèi)的等離子體電離，才會(huì)發(fā)光.但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熒光燈管在沒(méi)有接電源的情況下，將其靠近工作中的特斯拉線圈，也可以看到燈管被點(diǎn)亮.

如圖4所示，這是由于燈管內(nèi)氬氣及水銀蒸氣被強(qiáng)電磁場(chǎng)電離導(dǎo)致發(fā)光，而這超強(qiáng)電磁場(chǎng)便是由次級(jí)線圈產(chǎn)生的，從而使燈管在不接電源的情況下，實(shí)現(xiàn)隔空點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)燈管與特斯拉線圈的位置不變,用手接觸燈座,熒光燈明顯變亮,這里考慮到人作為導(dǎo)體,與大地接觸，燈管的電勢(shì)差變大，從而燈光更明亮些.

圖4 點(diǎn)亮熒光燈演示

4.3 無(wú)線傳電演示

如圖5所示，以繞好的線圈和LED燈構(gòu)成的無(wú)線輸電模塊，在靠近特斯拉線圈時(shí)，可以看到模塊上LED燈被點(diǎn)亮，和熒光燈在強(qiáng)電場(chǎng)下被點(diǎn)亮的原理不同.LED燈被點(diǎn)亮說(shuō)明電路中存在電流，電路中存在電流說(shuō)明諧振實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸.

圖5 無(wú)線傳電現(xiàn)象演示

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果中可以看到，特斯拉線圈可以點(diǎn)亮熒光燈，使燈管在不接電源的情況下實(shí)現(xiàn)隔空點(diǎn)亮，用手擋住熒光燈則亮度變暗，尖端放電產(chǎn)生的電弧大小與線圈匝數(shù)、導(dǎo)線粗細(xì)和次級(jí)線圈的高度有關(guān).線圈匝數(shù)越多，電弧越大，還可以增加次級(jí)線圈的高度和直徑，同時(shí)增加初級(jí)線圈的電流，初級(jí)線圈的匝數(shù)不用太多，從而提高輸入功率，使電弧變大.在音頻實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在較大的噪聲干擾，這些干擾的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：

(1)采用手工焊接的電路板及眾多線路之間本身就存在較大噪聲干擾；

(2)周?chē)碾娮釉O(shè)備(手機(jī)、電腦)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)線圈形成的干擾；

(3)周?chē)諝獾南鄬?duì)濕度，影響尖端電離空氣等離子體時(shí)的電弧長(zhǎng)度.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作的微型、小功率的特斯拉線圈放電演示儀體積小、安全性高.實(shí)驗(yàn)展示了次級(jí)線圈的尖端放電現(xiàn)象，通過(guò)電弧播放音樂(lè)，也就是離子揚(yáng)聲器的原理；無(wú)電源供電的熒光燈被點(diǎn)亮；線圈連接的LED燈通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線輸電；尖端產(chǎn)生的電弧由于溫度很高，還可做熱切割演示；次級(jí)線圈周?chē)a(chǎn)生的高強(qiáng)電磁場(chǎng)還可干擾電子設(shè)備.

該演示儀器包含的原理、展示的現(xiàn)象體現(xiàn)出了豐富的物理知識(shí)，易于學(xué)生理解難以接受的抽象理論知識(shí)，該演示儀不僅可以作為物理演示實(shí)驗(yàn)儀器，同時(shí)也可以作為科普趣味教學(xué)演示儀器,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)大有裨益.