TESLA BOBINA: ISTORIE, CUM FUNCȚIONEAZĂ, PENTRU CE ESTE - FIZIC - 2025

Bobina Tesla este un generator de lichidare care funcționează ca o înaltă tensiune de înaltă frecvență. A fost inventat de fizicianul Nikola Tesla (1856 - 1943), care l-a brevetat în 1891.

Inducția magnetică a făcut ca Tesla să se gândească la posibilitatea de a transmite energie electrică fără intervenția conductorilor. Prin urmare, ideea savantului și inventatorului a fost crearea unui dispozitiv care să servească la transferul de energie electrică fără a utiliza cabluri. Cu toate acestea, utilizarea acestei mașini este foarte ineficientă, așa că a sfârșit să fie abandonată în scurt timp în acest scop.

Figura 1. Demonstrație cu bobina Tesla. Sursa: Pixabay.

Chiar și așa, bobinele Tesla pot fi încă găsite cu unele aplicații specifice, cum ar fi în stâlpi sau în experimente de fizică.

Istorie

Bobina a fost creată de Tesla la scurt timp după ce experimentele lui Hertz au ieșit la lumină. Însuși Tesla l-a numit „aparat pentru transmiterea energiei electrice”. Tesla a vrut să demonstreze că energia electrică poate fi transmisă fără fire.

În laboratorul său din Colorado Springs, Tesla avea la dispoziție o uriașă bobină de 16 metri atașată la o antenă. Aparatul a fost folosit pentru a efectua experimente de transmitere a energiei.

Experiment cu bobine Tesla.

Într-o singură ocazie a avut loc un accident cauzat de această bobină în care au ars dinamos de la o centrală electrică situată la 10 kilometri distanță. Ca urmare a defecțiunii, în jurul înfășurărilor dinamului s-au produs arcuri electrice.

Nimic din acea Tesla nu a descurajat-o, care a continuat să experimenteze numeroase modele de bobine, care sunt cunoscute acum sub numele său.

Cum functioneazã?

Celebrul serpentin Tesla este unul dintre numeroasele modele realizate de Nikola Tesla pentru a transmite electricitate fără fire. Versiunile originale au dimensiuni mari și au folosit surse de înaltă tensiune și curenți mari.

În mod natural, astăzi există modele mult mai mici, compacte și de casă, pe care le vom descrie și explica în secțiunea următoare.

Figura 2. Schema bobinei de bază Tesla. Sursa: creată de sine.

Un design bazat pe versiunile originale ale bobinei Tesla este cel prezentat în figura de mai sus. Schema electrică din figura precedentă poate fi împărțită în trei secțiuni.

Sursa (F)

Sursa constă dintr-un generator de curent alternativ și un transformator de câștig mare. Sursa de ieșire este de obicei între 10.000 V și 30.000 V.

Primul circuit rezonant LC 1

Se compune dintr-un întrerupător S cunoscut sub numele de „Spark Gap” sau „Explosor”, care închide circuitul când o scânteie sare între capetele sale. Circuitul LC 1 are de asemenea un condensator C1 și o bobină L1 conectate în serie.

Al doilea circuit rezonant LC 2

Circuitul LC 2 constă dintr-o bobină L2 având un raport de rotație de aproximativ 100 la 1 în raport cu bobina L1 și un condensator C2. Condensatorul C2 se conectează la bobina L2 prin sol.

Bobina L2 este de obicei o sârmă înfășurată cu un email izolant pe un tub din material ne conductiv, cum ar fi ceramică, sticlă sau plastic. Bobina L1, deși nu este prezentată astfel în diagramă, este înfășurată pe bobina L2.

Condensatorul C2, la fel ca toate condensatoarele, este format din două plăci metalice. În bobinele Tesla, una dintre plăcile C2 are de obicei forma unei cupole sferice sau toroidale și este conectată în serie cu bobina L2.

Cealaltă placă a C2 este mediul din apropiere, de exemplu un piedestal metalic terminat într-o sferă și conectat la sol pentru a închide circuitul cu celălalt capăt al L2, conectat și el la sol.

Mecanism de acțiune

Când o bobină Tesla este pornită, sursa de înaltă tensiune încarcă condensatorul C1. Atunci când aceasta atinge o tensiune suficient de ridicată, face un salt de scânteie în comutatorul S (distanță de scânteie sau explozor), închizând circuitul I rezonant.

Apoi condensatorul C1 se descarcă prin bobina L1 generând un câmp magnetic variabil. Acest câmp magnetic variabil, de asemenea, trece prin bobina L2 și induce o forță electromotivă pe bobina L2.

Deoarece L2 este cu aproximativ 100 de rotații mai lung decât L1, tensiunea electrică peste L2 este de 100 de ori mai mare decât cea de pe L1. Și întrucât în ​​L1 tensiunea este de ordinul a 10.000 volți, atunci în L2 va fi de 1 milion volți.

Energia magnetică acumulată în L2 este transferată ca energie electrică condensatorului C2, care atunci când atinge valori maxime de tensiune de ordinul unui milion de volți ionizează aerul, produce o scânteie și este descărcat brusc prin pământ. Descărcările au loc între 100 și 150 de ori pe secundă.

Circuitul LC1 este numit rezonant, deoarece energia acumulată în condensatorul C1 trece la bobina L1 și invers; adică are loc o oscilație.

La fel se întâmplă și în circuitul rezonant LC2, în care energia magnetică a bobinei L2 este transferată ca energie electrică condensatorului C2 și invers. Adică că în circuit se produce alternativ un curent dus-întors.

Frecvența naturală de oscilație într-un circuit LC este

Rezonanță și inducție reciprocă

Când energia furnizată circuitelor LC are aceeași frecvență cu frecvența naturală de oscilație a circuitului, atunci transferul de energie este optim, producând o amplificare maximă a curentului circuitului. Acest fenomen comun tuturor sistemelor oscilante este cunoscut sub numele de rezonanță.

Circuitele LC1 și LC2 sunt cuplate magnetic, un alt fenomen numit inducție reciprocă.

Pentru transferul optim de energie de la circuitul LC1 la circuitul LC2 și invers, frecvențele naturale de oscilație ale ambelor circuite trebuie să se potrivească și trebuie să corespundă și frecvenței sursei de înaltă tensiune.

Acest lucru se realizează prin ajustarea valorilor capacitanței și inductanței în ambele circuite, astfel încât frecvențele de oscilație să coincidă cu frecvența sursă:

Când se întâmplă acest lucru, puterea de la sursă este transferată eficient în circuitul LC1 și de la LC1 la LC2. În fiecare ciclu de oscilație, energia electrică și magnetică acumulată în fiecare circuit crește.

Când tensiunea electrică peste C2 este suficient de mare, atunci energia este eliberată sub formă de fulger prin descărcarea C2 la sol.

Bobina Tesla folosește

Ideea originală a lui Tesla în experimentele sale cu aceste bobine a fost întotdeauna să găsească o modalitate de a transmite energia electrică pe distanțe lungi, fără cabluri.

Cu toate acestea, eficiența scăzută a acestei metode datorită pierderilor de energie prin dispersia prin mediu a făcut necesară căutarea altor mijloace de transmitere a energiei electrice. Astăzi cablul este încă utilizat.

Lampa cu plasmă, care a ajutat la dezvoltarea experimentului Tesla.

Cu toate acestea, multe dintre ideile originale ale lui Nikola Tesla sunt încă prezente în sistemele de transmisie prin cablu de astăzi. De exemplu, Tesla a conceput transformatoarele pasive în stațiile electrice pentru transmisia prin cabluri cu pierderi mai puține, și transformatoarele descendente pentru distribuția în locuințe.

În ciuda utilizării la scară largă, bobinele Tesla continuă să fie utile în industria electrică de înaltă tensiune pentru testarea sistemelor de izolare, a turnurilor și a altor dispozitive electrice care trebuie să funcționeze în siguranță. De asemenea, sunt utilizate în diferite spectacole pentru a genera fulgere și scântei, precum și în unele experimente de fizică.

Este important să luați măsuri de siguranță în experimentele de înaltă tensiune cu bobine mari Tesla. Un exemplu este utilizarea cuștilor Faraday pentru protecția observatorilor și a costumelor din plasă metalică pentru interpreții care participă la spectacole cu aceste mulinete.

Cum se face o bobină Tesla de casă?

Componente

În această versiune în miniatură a bobinei Tesla nu va fi utilizată nicio sursă de înaltă tensiune. Dimpotrivă, sursa de alimentare va fi o baterie de 9 V, așa cum se arată în diagrama din figura 3.

Figura 3. Schemă pentru a construi o mini bobină Tesla. Sursa: creată de sine.

Cealaltă diferență față de versiunea originală Tesla este utilizarea unui tranzistor. În cazul nostru va fi 2222A, care este un tranzistor NPN cu semnal redus, dar cu răspuns rapid sau frecvență ridicată.

Circuitul are, de asemenea, un comutator S, o bobină primară cu 3 roti L1 și o bobină secundară L2 de 275 de rotații minime, dar poate fi, de asemenea, între 300 și 400 de rotații.

Bobina primară poate fi construită cu un fir comun cu izolație din plastic, dar bobina secundară necesită un fir subțire acoperit cu lac izolant, care este cel utilizat de obicei la înfășurări. Înfășurarea se poate face pe un carton sau tub de plastic care are diametrul între 3 și 4 cm.

Folosind tranzistorul

Trebuie amintit că în vremea lui Nikola Tesla nu existau tranzistoare. În acest caz, tranzistorul înlocuiește „spark gap” sau „explozorul” din versiunea inițială. Tranzistorul va fi folosit ca o poartă care permite sau nu trecerea curentului. Pentru aceasta, tranzistorul este polarizat după cum urmează: colectorul c la terminalul pozitiv și emițătorul e la borna negativă a bateriei.

Când baza b este părtinitoare pozitiv, atunci permite trecerea curentului de la colector la emițător și, în caz contrar, îl împiedică.

În schema noastră, baza este conectată la pozitivul bateriei, dar este introdus un rezistor de 22 de kilograme ohm, pentru a limita curentul în exces care poate arde tranzistorul.

Circuitul arată de asemenea o diodă LED care poate fi roșie. Funcția sa va fi explicată mai târziu.

La capătul liber al bobinei secundare L2 este plasată o bilă mică de metal, care poate fi realizată prin acoperirea unei bile de polistiren sau a unei bile de pong cu folie de aluminiu.

Această sferă este placa unui condensator C, cealaltă placă fiind mediul înconjurător. Aceasta este ceea ce este cunoscut sub denumirea de capacitate parazitară.

Cum funcționează mini Tesla Bobina

Când întrerupătorul S este închis, baza tranzistorului este părtinitoare pozitiv, iar capătul superior al bobinei primare este, de asemenea, părtinitor. Apare deci un curent care trece prin bobina primară, continuă prin colector, părăsește emițătorul și revine la baterie.

Acest curent crește de la zero la o valoare maximă într-un timp foarte scurt, motiv pentru care induce o forță electromotivă în bobina secundară. Aceasta produce un curent care merge din partea de jos a bobinei L2 până la baza tranzistorului. Acest curent încetează brusc polarizarea pozitivă a bazei, astfel încât fluxul de curent prin oprirea primară.

În unele versiuni, dioda LED este îndepărtată și circuitul funcționează. Cu toate acestea, plasarea acestuia îmbunătățește eficiența în tăierea prejudiciului bazei tranzistorului.

Ce se întâmplă când circulă curentul?

În timpul ciclului de creștere rapidă a curentului în circuitul primar, a fost indusă o forță electromotivă în bobina secundară. Deoarece raportul de rotații între primar și secundar este de 3 până la 275, capătul liber al bobinei L2 are o tensiune de 825 V față de sol.

Datorită celor de mai sus, în sfera condensatorului C este produs un câmp electric intens, capabil să ionizeze gazul la presiune mică într-un tub de neon sau o lampă fluorescentă care se apropie de sfera C și să accelereze electronii liberi din interiorul tubului. pentru a excita atomii care produc emisiunea de lumină.

Deoarece curentul a încetat brusc prin bobina L1 și bobina L2 descărcată prin aerul care înconjoară C spre sol, ciclul repornește.

Punctul important în acest tip de circuit este că totul se întâmplă într-un timp foarte scurt, astfel încât să aveți un oscilator de înaltă frecvență. În acest tip de circuit, oscilarea rapidă sau ascuțită produsă de tranzistor este mai importantă decât fenomenul de rezonanță descris în secțiunea anterioară și care se referă la versiunea inițială a bobinei Tesla.

Experimente propuse cu mini bobine Tesla

Odată construită mini bobina Tesla, este posibil să experimentați cu ea. Evident, fulgerele și scânteile versiunilor originale nu vor fi produse.

Cu toate acestea, cu ajutorul unui bec fluorescent sau a unui tub de neon, putem observa cum efectul combinat al câmpului electric intens generat în condensator la sfârșitul bobinei și frecvența ridicată a oscilației acelui câmp, face ca lampa să facă se aprinde doar apropiindu-se de sfera condensatorului.

Câmpul electric puternic ionizează gazul de joasă presiune din interiorul tubului, lăsând electroni liberi în interiorul gazului. Astfel, frecvența ridicată a circuitului face ca electronii liberi din tubul fluorescent să accelereze și să excite pulberea fluorescentă care aderă la peretele interior al tubului, determinând să emită lumină.

De asemenea, puteți apropia un LED luminos de sfera C, observând cum se aprinde chiar și atunci când pinii LED nu au fost conectați.

Referințe

1. Blake, T. Tesla bobina teorie. Recuperat din: tb3.com.
2. Burnett, R. Funcționarea bobinei Tesla. Recuperat din: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. MacGraw Hill. 626-628.
4. Universitatea din Wisconsin-Madison. Bobina Tesla. Recuperat din: Wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Bobina Tesla. Recuperat de la: wikiwand.com.