微型固態(tài)特斯拉線圈尖端放電演示儀

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

微型固態(tài)特斯拉線圈尖端放電演示儀

吳慶州，王 濤

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023)

微型固態(tài)特斯拉線圈尖端放電演示儀以RLC串聯(lián)諧振為基本原理實(shí)現(xiàn)高壓放電. 振蕩信號(hào)由555輸出，以Mosfet驅(qū)動(dòng)芯片TC4420構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路，功率電路采用MOS管IRFP460，音頻采用電源調(diào)制方式. 該儀器可以演示尖端放電現(xiàn)象、音樂(lè)電弧、熒光燈隔空點(diǎn)亮以及無(wú)線傳電現(xiàn)象. 演示實(shí)驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，體積小、功率低，既達(dá)到了演示效果，又保障了演示實(shí)驗(yàn)的安全性.

RLC串聯(lián)諧振；特斯拉線圈；尖端放電

特斯拉線圈是由塞爾維亞裔美籍發(fā)明家、物理學(xué)家Nikola Tesla發(fā)明，學(xué)名“分布參量高頻串聯(lián)諧振變壓器”. 它可以產(chǎn)生上百萬(wàn)伏的高壓電，能直接將空氣中的氣體電離，形成等離子體，并迸發(fā)出耀眼的電弧. 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”.

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，特斯拉愛(ài)好者們做出了各式各樣的特斯拉線圈，有的體型龐大，可以產(chǎn)生如閃電狀般大面積的電弧，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. 因此筆者設(shè)計(jì)制作了微型特斯拉線圈演示儀，使學(xué)生在感受音樂(lè)電弧之魅力、無(wú)電源供電白熾燈被點(diǎn)亮之神奇的同時(shí)，激起學(xué)生的興趣，有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的相關(guān)物理知識(shí)的理解、運(yùn)用，促進(jìn)學(xué)生在知識(shí)的海洋中，不斷地追求與探索.

1 實(shí)驗(yàn)原理

一般工科院校大學(xué)物理電磁學(xué)部分都會(huì)講到RLC串聯(lián)諧振電路. 本文設(shè)計(jì)的演示儀即是基于此原理設(shè)計(jì)而成的. 電路諧振時(shí)，容抗XC與感抗XL相等，即串聯(lián)諧振的條件為

(1)

而

(2)

其中，f0為諧振頻率. 可以看出，諧振頻率取決于電路中的電容和電感. 當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，如圖1所示，當(dāng)輸入的電壓Ui的相位與電流I的相位相同時(shí)，可以推算出電路阻抗為

(3)

此時(shí)表現(xiàn)為純電阻特性[1]，電路中總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值. 電阻兩端電壓等于Ui，電感和電容的電壓相等，其大小為Ui的Q倍(Q為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，一般可達(dá)100左右). 在電子技術(shù)中，常常可以利用串聯(lián)諧振來(lái)獲得與信號(hào)電壓頻率相同但大很多倍的電壓. 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[2-3].

圖1 RLC串聯(lián)諧振電路

特斯拉本人制作的線圈，又名火花間隙特斯拉線圈(Spark gap Tesla coil，SGTC)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[4].
圖2中左半部分為初級(jí)線圈，主要由線圈、主電容和打火器構(gòu)成，激勵(lì)電源對(duì)主電容充電，電容兩端電壓升高，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)能夠擊穿打火器的間隙，和初級(jí)線圈構(gòu)成回路，能量在電容和初級(jí)線圈之間振蕩，這樣在線圈的初級(jí)形成高頻交流電. 次級(jí)線圈作為電感，放電頂端和大地之間等效為電容，在初級(jí)線圈的高頻振蕩激勵(lì)下，形成LC振蕩. 當(dāng)初級(jí)LC振蕩頻率和次級(jí)的諧振頻率一致時(shí)，次級(jí)線圈發(fā)生諧振，初級(jí)回路的能量涌到次級(jí)回路,電壓峰值不斷增加，直到放電[5].

圖2 SGTC原理圖

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了固態(tài)特斯拉線圈(Solid state Tesla coil，SSTC)[6]，SSTC與SGTC的主要區(qū)別在于發(fā)射端的不同，SSTC通過(guò)集成芯片的振蕩實(shí)現(xiàn)高頻交流電，并通過(guò)功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)次級(jí)線圈，而SGTC是直接利用初級(jí)LC振蕩實(shí)現(xiàn)的高頻交流電激勵(lì)次級(jí)線圈. 相比SGTC，SSTC具有低噪音、高效率、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn).

2 演示實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 SSTC工作流程圖

基于SSTC設(shè)計(jì)思想制作演示儀，工作流程如圖3所示. 振蕩信號(hào)由555輸出，以Mosfet驅(qū)動(dòng)芯片TC4420構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路，功率電路采用MOS管IRFP460，音頻采用電源調(diào)制方式.

實(shí)驗(yàn)裝置包括主機(jī)和3個(gè)功能演示模塊.
圖4為主機(jī)實(shí)物圖，即特斯拉線圈，儀器上部為初級(jí)線圈、次級(jí)線圈及放電尖端. 內(nèi)部為電源及控制電路、驅(qū)動(dòng)電路.

圖4 主機(jī)實(shí)物圖

圖5為3個(gè)演示功能模塊，其中音頻電路板集成藍(lán)牙、TF卡、FM收音，可實(shí)現(xiàn)不同形式的音頻輸入播放.

圖5 功能演示模塊

3 現(xiàn)象演示

3.1 尖端放電現(xiàn)象演示

特斯拉線圈工作時(shí)，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈產(chǎn)生諧振，在次級(jí)線圈中形成超高壓以及強(qiáng)電場(chǎng). 次級(jí)線圈頂部加裝尖端，強(qiáng)電場(chǎng)作用下便產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，放電過(guò)程中將尖端附近的空氣分子電離，形成等離子體. 如果用音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路對(duì)電弧進(jìn)行調(diào)制，尖端電弧則根據(jù)音頻信號(hào)進(jìn)行滅弧，周邊的等離子體隨著電弧的大小而改變(圖6)，使得周邊的空氣跟隨等離子體有節(jié)奏地振動(dòng)，從而產(chǎn)生有節(jié)奏的音樂(lè)，此即等離子體揚(yáng)聲器的工作原理[7]. 該演示現(xiàn)象有助于學(xué)生對(duì)尖端放電、等離子體、振動(dòng)發(fā)聲等物理概念和原理的理解.

圖6 音頻調(diào)制后尖端放電現(xiàn)象

3.2 點(diǎn)亮熒光燈管的演示

正常熒光燈發(fā)光需要接市電，在鎮(zhèn)流器的高壓下，燈絲受熱發(fā)射電子撞擊管內(nèi)氣體，使管內(nèi)氣體電離，水銀蒸氣電離發(fā)出紫外線，激發(fā)管壁熒光粉發(fā)出可見(jiàn)光[8]. 如圖7所示，將熒光燈管靠近工作中的特斯拉線圈，可以看到燈管被點(diǎn)亮，這是由于次級(jí)線圈的超強(qiáng)電場(chǎng)，使得燈管內(nèi)氬氣及水銀蒸氣被強(qiáng)電場(chǎng)直接電離，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，使得燈管電勢(shì)差大，燈光更明亮. 該演示現(xiàn)象有助于學(xué)生對(duì)電學(xué)中電場(chǎng)、電勢(shì)差的理解.

圖7 點(diǎn)亮熒光燈演示

3.3 無(wú)線傳電演示

如圖8所示，以電容和電感構(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，表示電路中存在電流，說(shuō)明RC諧振電路實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸.

圖8 無(wú)線傳電現(xiàn)象演示

4 結(jié)束語(yǔ)

特斯拉線圈能產(chǎn)生絢麗的閃光，然而特斯拉線圈涉及到高壓電，使得在制作和使用時(shí)又存在一定的危險(xiǎn)性. 本設(shè)計(jì)制作的微型、小功率的特斯拉線圈放電演示儀，既達(dá)到了演示效果，又保障了演示實(shí)驗(yàn)的安全性，儀器包含的原理、展示的現(xiàn)象體現(xiàn)出豐富的物理知識(shí)，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.

[1] 趙平華,賀曉華.RLC串聯(lián)諧振電路的研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2012,25(6):69-72.

[2] 徐應(yīng)年,趙陽(yáng)，黃友橋,等. 簡(jiǎn)單、高效串聯(lián)諧振逆變電源研究 [J]. 高電壓技術(shù)，2008,34(1):187-190.

[3] 陳建. IGBT 半橋串聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源調(diào)頻調(diào)功技術(shù)研究[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2014(10)：193-194.

[4] 李明謙. 火花間隙特斯拉線圈的制作[J]. 技術(shù)研發(fā),2014,21(9):28-30.

[5] 王毅偉,郭穎. 基于特斯拉線圈的無(wú)線充電模型設(shè)計(jì)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2016,35(9):34-36.

[6] 楊漢祥. 高壓尖端放電實(shí)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,25(6):42-45.

[7] 董馨，孫智興，于江濤. 大氣壓等離子體實(shí)驗(yàn)演示儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(9):32-35.

[8] 孫佩雄,蔣甜甜. 輝光球的發(fā)光原理及在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理通報(bào),2013(11):123-125.

Micro-demonstratorfortipdischargeusingsolidstateTeslacoil

WU Qing-zhou, WANG Tao

(College of Zijin, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210023, China)

A tip discharge demonstrator using Tesla coil was a high voltage discharge device based on the principle ofRLCseries resonance. The oscillation signal was provided by 555, the driver circuit was built using Mosfet driver chip TC4420, the power circuit adopted the MOS tube IRFP460, and the audio was modulated by the power supply. The demonstrator could demonstrate the phenomenon of tip discharge, music arc, pointing fluorescent lamp cross the air and wireless power transmission. The demonstrator adopted modular design with low volume and low power, which could both achieve the demonstration effect and ensure the safety.

RLCseries resonant; Tesla coil; tip discharge

“第13屆全國(guó)高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2017-06-08

高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究項(xiàng)目(No.01-201601-05)；江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題(No.D/2016/01/06)

吳慶州(1981-)，男，江蘇沛縣人，南京理工大學(xué)紫金學(xué)院副教授，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新教育.

O441

A

1005-4642(2017)12-0035-03

任德香]