微型電弧放電演示儀的制作*

劉曉飛 王俊平 張連昊

(濱州學院航空工程學院 山東 濱州 256600)

1 引言

特斯拉線圈是由美籍塞爾維亞裔發明家、物理學家特斯拉(Nikola Tesla 1856—1943)發明[1]，學名“分布參量高頻串聯諧振變壓器”.上百萬伏的高壓電可以由此線圈產生，并且產生的高壓電可以把空氣中的氣體電離，電離的氣體產生美麗的電弧.實驗發現用音頻信號調制，能形成音樂電弧，產生震耳的真正的“電音”[2].

隨著科技的進步，各式各樣的特斯拉線圈被制作出來，在科技館里有一種體型龐大的特斯拉線圈，該儀器可以產生閃電狀電弧，并且是大面積的，尤為美麗壯觀.然而這樣的視覺沖擊一般只有在科技館等少有的場合下才能體驗到[3].本文設計制作了一個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亮，實現音樂和電的無線傳輸功能，該儀器制作成本低，安全性高，適合于實驗室和物理課堂教學使用.

2 微型電弧放電原理

特斯拉線圈是利用電路諧振進行能量變換的高壓發生裝置[4,5].如圖1所示,由一個雙調諧耦合回路構成[6]，它的一次回路由諧振電容和一次繞組構成了串聯諧振回路，因為串聯諧振是電壓諧振，可以獲得高壓大電流和巨大的激磁功率，二次回路可以感應到更高的等效激勵電壓，諧振升壓后輸出更高的電壓，產生更加壯觀的電弧.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k一般接近于1，所以初級和次級電壓基本成比例關系；而特斯拉線圈的耦合系數一般都小于0.3，工作時，兩級電壓比例是隨時間變化而變化的，不成線性關系.通過串聯諧振，可以獲得與輸入信號頻率相同但是幅值擴大很多倍的輸出信號.特斯拉線圈能實現超高壓正是基于該原理，RC串聯諧振也常應用于逆變器、感應加熱等方面[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、線圈和場效應管組成，次級線圈作為電感，接地端和放電頂端間可以等效為電容器，起始狀態下，能量在初級線圈構成的回路間振蕩，線圈的高頻振蕩激勵下，逐漸形成LC振蕩.當初級LC振蕩頻率和次級線圈的振蕩頻率一致時，初級和次級線圈發生諧振，初級回路的能量傳遞到次級回路，次級回路的電壓峰值不斷增加，直到放電，放電后便會在次級線圈的尖端產生耀眼的電弧.如果將音頻信號通過調制電路加載到電弧上，尖端電弧則會隨著音頻信號的變化發生規律性的亮弧和滅弧，周邊空氣中電離的等離子也會隨著電弧的規律性變化發生周期性變化，從而實現音頻信號的傳遞.

圖2 微型電弧放電演示儀電路圖

4 實驗現象展示

4.1 尖端放電現象演示

當特斯拉線圈工作時，初級和次級線圈發生諧振，初級回路的能量傳遞到次級回路，次級回路的電壓峰值不斷增加，如果在次級線圈加裝尖端，在強電場的作用下尖端就會放電，放電后便會在次級線圈的尖端產生耀眼的電弧.如果將音頻信號通過調制電路加載到電弧上，尖端電弧則會隨著音頻信號發生規律性的亮弧和滅弧，周邊空氣中電離的等離子也會隨著電弧的規律性變化發生周期性變化，從而實現音頻信號的傳遞如圖3所示.

圖3 音頻調制后尖端放電現象

4.2 點亮熒光燈管的演示

正常的室內使用的熒光燈，是等離子發光，但是需要接220 V的市電，并且在鎮流器的作用下，產生瞬間高壓，使得燈管內的等離子體電離，才會發光.但是通過實驗發現，熒光燈管在沒有接電源的情況下，將其靠近工作中的特斯拉線圈，也可以看到燈管被點亮.

如圖4所示，這是由于燈管內氬氣及水銀蒸氣被強電磁場電離導致發光，而這超強電磁場便是由次級線圈產生的，從而使燈管在不接電源的情況下，實現隔空點亮，實驗時發現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體,與大地接觸，燈管的電勢差變大，從而燈光更明亮些.

圖4 點亮熒光燈演示

4.3 無線傳電演示

如圖5所示，以繞好的線圈和LED燈構成的無線輸電模塊，在靠近特斯拉線圈時，可以看到模塊上LED燈被點亮，和熒光燈在強電場下被點亮的原理不同.LED燈被點亮說明電路中存在電流，電路中存在電流說明諧振實現了電能的無線傳輸.

圖5 無線傳電現象演示

4.4 實驗結果分析

經過幾次實驗得出的結果中可以看到，特斯拉線圈可以點亮熒光燈，使燈管在不接電源的情況下實現隔空點亮，用手擋住熒光燈則亮度變暗，尖端放電產生的電弧大小與線圈匝數、導線粗細和次級線圈的高度有關.線圈匝數越多，電弧越大，還可以增加次級線圈的高度和直徑，同時增加初級線圈的電流，初級線圈的匝數不用太多，從而提高輸入功率，使電弧變大.在音頻實驗過程中存在較大的噪聲干擾，這些干擾的來源主要有以下幾個方面：

(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)周圍的電子設備(手機、電腦)產生的電磁場對線圈形成的干擾；

(3)周圍空氣的相對濕度，影響尖端電離空氣等離子體時的電弧長度.

5 結束語

本文設計制作的微型、小功率的特斯拉線圈放電演示儀體積小、安全性高.實驗展示了次級線圈的尖端放電現象，通過電弧播放音樂，也就是離子揚聲器的原理；無電源供電的熒光燈被點亮；線圈連接的LED燈通過電磁感應實現了無線輸電；尖端產生的電弧由于溫度很高，還可做熱切割演示；次級線圈周圍產生的高強電磁場還可干擾電子設備.

該演示儀器包含的原理、展示的現象體現出了豐富的物理知識，易于學生理解難以接受的抽象理論知識，該演示儀不僅可以作為物理演示實驗儀器，同時也可以作為科普趣味教學演示儀器,對培養學生核心素養大有裨益.