Tesla transformátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. září 2020; kontroly vyžadují 40 úprav .

Tesla transformátor nebo Tesla cívka ( angl.  Tesla coil ) je zařízení, které vynalezl Nikola Tesla a nese jeho jméno. Je to rezonanční transformátor produkující vysoké napětí při vysoké frekvenci. Zařízení bylo patentováno 22. září 1896 jako „Přístroj pro výrobu elektrických proudů o vysoké frekvenci a potenciálu“ [1] .

Jak to funguje

Tesla transformátor je založen na použití rezonančních stojatých elektromagnetických vln v cívkách. Jeho primární vinutí obsahuje malý počet závitů a je součástí jiskrového oscilačního obvodu , jehož součástí je také kondenzátor a jiskřiště. Sekundární vinutí je rovná cívka drátu. Pokud se frekvence kmitání oscilačního obvodu primárního vinutí shoduje s frekvencí některého z vlastních kmitů (stojatých vln) sekundárního vinutí, vznikne v důsledku rezonančního jevu v sekundárním vinutí stojaté elektromagnetické vlnění a vysoká mezi konci cívky se objeví střídavé napětí [2] .

Činnost rezonančního transformátoru lze vysvětlit na příkladu obyčejné houpačky. Pokud jsou výkyvné v režimu nucené oscilace, pak maximální dosažená amplituda bude úměrná použité síle. Pokud se houpete v režimu volných oscilací, pak se stejným úsilím maximální amplituda mnohokrát roste. Tak je to s Teslovým transformátorem - sekundární oscilační obvod působí jako houpačka a generátor působí jako vynaložené úsilí. Jejich konzistenci („tlačení“ striktně ve správný čas) zajišťuje primární obvod nebo hlavní oscilátor (v závislosti na zařízení).

Nejjednodušší Tesla transformátor obsahuje vstupní transformátor, induktor sestávající ze dvou vinutí - primárního a sekundárního, jiskřiště (přerušovač, často se vyskytuje anglická verze Spark Gap), kondenzátor , toroid (ne vždy používaný) a svorku (zobrazeno v diagramu jako "výstup").

Primární vinutí obvykle obsahuje jen několik závitů měděné trubky nebo drátu o velkém průměru a sekundární vinutí obsahuje asi 1000 závitů drátu menšího průřezu. Primární cívka může být plochá (horizontální), kuželová nebo válcová (vertikální). Na rozdíl od konvenčních transformátorů zde není žádné feromagnetické jádro. Vzájemná indukčnost mezi oběma cívkami je tedy mnohem menší než u transformátorů s feromagnetickým jádrem . Primární cívka spolu s kondenzátorem tvoří oscilační obvod , jehož součástí je nelineární prvek - jiskřiště.

Svodič, v nejjednodušším případě obyčejný plynový, se skládá ze dvou masivních elektrod s nastavitelnou mezerou. Elektrody musí být odolné proti toku vysokých proudů elektrickým obloukem mezi nimi a musí mít dobré chlazení.

Sekundární cívka rovněž tvoří oscilační obvod , kde roli kondenzátoru plní především kapacita toroidu a vlastní mezizávitová kapacita cívky samotné. Sekundární vinutí je často potaženo vrstvou epoxidu nebo laku, aby se zabránilo elektrickému zhroucení .

Koncovka může být vyrobena ve formě disku, naostřeného kolíku nebo koule a je navržena tak, aby produkovala předvídatelné jiskrové výboje velké délky.

Tesla transformátor se tedy skládá ze dvou spojených oscilačních obvodů, což určuje jeho pozoruhodné vlastnosti a je jeho hlavní odlišností od konvenčních transformátorů. Pro plný provoz transformátoru musí být tyto dva oscilační obvody naladěny na stejný rezonanční kmitočet. Obvykle se během procesu ladění primární obvod upravuje na frekvenci sekundárního změnou kapacity kondenzátoru a počtu závitů primárního vinutí, dokud není na výstupu transformátoru dosaženo maximálního napětí.

Funkční

Tesla transformátor nejjednodušší uvažované konstrukce, znázorněný na schématu, pracuje v pulzním režimu. První fází je nabití kondenzátoru až na průrazné napětí svodiče. Druhou fází je generování vysokofrekvenčních oscilací v primárním okruhu. Paralelně zapojené jiskřiště uzavírající zdroj (transformátor), vyřazuje jej z okruhu, jinak zdroj vnáší do primárního okruhu určité ztráty a tím snižuje jeho jakost . V praxi může tento vliv mnohonásobně zkrátit délku výboje, proto je v obvodu Teslova transformátoru svodič vždy umístěn paralelně se zdrojem energie.

Nabít

Kondenzátor je nabíjen externím zdrojem vysokého napětí na bázi stupňovitého nízkofrekvenčního transformátoru. Kapacita kondenzátoru se volí tak, aby spolu s induktorem tvořil rezonanční obvod s rezonanční frekvencí rovnou vysokonapěťovému obvodu. Frekvence se však bude lišit od frekvence vypočtené podle Thomsonova vzorce , protože v primárním okruhu jsou patrné ztráty pro „čerpání“ druhého okruhu. Nabíjecí napětí je omezeno průrazným napětím svodiče, které lze (v případě vzduchové mezery) upravit změnou vzdálenosti mezi elektrodami nebo jejich tvaru. Typicky leží nabíjecí napětí kondenzátoru v rozmezí 2-20 kilovoltů.

Generace

Po dosažení průrazného napětí mezi elektrodami svodiče v ní dochází k lavinovitému elektrickému průrazu plynu. Kondenzátor je vybit přes svodič do cívky. Po vybití kondenzátoru průrazné napětí svodiče prudce klesá vlivem zbývajících nosičů náboje ( iontů ) v plynu. Proto obvod oscilačního obvodu , sestávající z primární cívky a kondenzátoru, zůstává uzavřen přes jiskřiště a dochází v něm k vysokofrekvenčním oscilacím. Kmity jsou postupně tlumeny, především v důsledku ztrát v jiskřišti a v sekundárním okruhu, ale pokračují, dokud proud nevytvoří dostatečný počet nosičů náboje pro udržení výboje. V sekundárním obvodu dochází k rezonančním oscilacím, což vede ke vzniku vysokého napětí na svorce .

Úpravy Teslova transformátoru

U všech typů Teslových transformátorů zůstává hlavní konstrukční prvek - primární a sekundární obvody - nezměněn. Jedna z jeho částí - generátor vysokofrekvenčních kmitů však může mít jinou konstrukci. Zkratky pro Teslovy cívky napájené stejnosměrným proudem často obsahují písmena DC, například DCSGTC .

V tuto chvíli existují:

Teslovy magniferové cívky jsou také zařazeny do samostatné kategorie.

Použití Tesla Transformer

Výstupní napětí Teslova transformátoru může dosáhnout několika milionů voltů . Toto napětí o frekvenci minimální elektrické síly vzduchu je schopno vytvářet ve vzduchu působivé elektrické výboje, které mohou být dlouhé i mnoho metrů. Tyto jevy lidi fascinují z různých důvodů, proto se Teslov transformátor používá jako dekorativní předmět.

Transformátor byl použit Teslou ke generování a šíření elektrických oscilací zaměřených na ovládání zařízení na dálku bez drátů ( rádiové ovládání ), bezdrátový přenos dat ( rádio ) a bezdrátový přenos energie . Počátkem 20. století našel Teslov transformátor oblíbené využití také v medicíně . [3] [4] Pacienti byli léčeni slabými vysokofrekvenčními proudy, které protékající tenkou vrstvou kožního povrchu nepoškozovaly vnitřní orgány (viz: kožní efekt , Darsonvalizace ), a přitom působily „tonikem“ a „léčivý“ efekt.

Je mylné předpokládat, že Tesla transformátor nemá široké praktické uplatnění. Používá se k zapalování plynových výbojek a k vyhledávání netěsností ve vakuových systémech. Jeho hlavní využití je však dnes kognitivní a estetické. Je to způsobeno zejména značnými obtížemi, kdy je nutné kontrolovat výběr vysokonapěťového výkonu, nebo ještě více jej přenášet na vzdálenost od transformátoru, protože v tomto případě zařízení nevyhnutelně vypadne z rezonance a kvalita faktor sekundárního obvodu a napětí na něm jsou také výrazně sníženy.

Efekty pozorované během provozu Teslova transformátoru

Během provozu vytváří Teslova cívka krásné efekty spojené s tvorbou různých typů výbojů plynu . Mnoho lidí sbírá Teslovy transformátory, aby se podívali na tyto působivé, krásné jevy. Teslova cívka obecně produkuje 4 typy výbojů:

  1. Streamer (z angl .  Streamer ) - slabě zářící tenké rozvětvené kanály, které obsahují atomy ionizovaného plynu a odštěpují se z nich volné elektrony. Vytéká z koncovky (nebo z nejostřejších, zakřivených BB částí) cívky přímo do vzduchu, aniž by se dostal do země, protože náboj proudí rovnoměrně z povrchu výboje vzduchem do země. Streamer je ve skutečnosti viditelná ionizace vzduchu (záření iontů) vytvořená VN polem transformátoru.
  2. Jiskra (z anglického  Spark ) je jiskrový výboj . Jde z terminálu (nebo z nejostřejších, zakřivených částí BB) přímo do země nebo do uzemněného předmětu. Je to svazek světlých, rychle mizejících nebo vzájemně nahrazujících vláknité, často vysoce rozvětvené proužky - jiskrové kanály. Existuje také speciální druh jiskrového výboje - posuvný jiskrový výboj.
  3. Korónový výboj  je záře vzdušných iontů ve vysokonapěťovém elektrickém poli . Vytváří krásnou namodralou záři kolem BB částí konstrukce se silným povrchovým zakřivením.
  4. Obloukový výboj  - vzniká v mnoha případech. Například při dostatečném výkonu transformátoru, pokud se k jeho svorce přiblíží uzemněný předmět, může se mezi ním a koncovkou zapálit oblouk (někdy je třeba se objektu přímo dotknout koncovky a poté natáhnout oblouk a stáhnout koncovku objekt na větší vzdálenost). To platí zejména o Teslových trubkových cívkách. Pokud cívka není dostatečně pevná a spolehlivá, může vyprovokovaný obloukový výboj poškodit její součásti.

Často můžete pozorovat (zejména v blízkosti výkonných cívek), jak jdou výboje nejen z cívky samotné (její svorky atd.), ale také k ní z uzemněných předmětů. Na takových předmětech může také docházet ke koronovému výboji . Vzácně lze také pozorovat doutnavý výboj . Je zajímavé poznamenat, že určité iontové chemikálie aplikované na výbojový terminál jsou schopny změnit barvu výboje. Například ionty sodíku změní obvyklou barvu jiskry na oranžovou a bor se změní  na zelenou.

Činnost rezonančního transformátoru je doprovázena charakteristickým elektrickým praskáním. Vznik tohoto jevu je spojen s přeměnou streamerů na jiskrové kanály (viz článek jiskrový výboj ), což je doprovázeno prudkým nárůstem síly proudu a množství energie v nich uvolněné. Každý kanál se rychle rozšiřuje, tlak v něm prudce stoupá, v důsledku čehož na jeho hranicích vzniká rázová vlna . Kombinace rázových vln z rozšiřujících se jiskrových kanálů vytváří zvuk vnímaný jako "prasknutí" jiskry.

Účinky na lidský organismus

Jako zdroj vysokého napětí může být Teslův transformátor smrtící. To platí zejména pro náročné instalace na lampy nebo tranzistory s efektem pole. Každopádně i nízkopříkonové Tesla transformátory se vyznačují uvolňováním vysokonapěťové vysokofrekvenční energie, která může způsobit lokální poškození kůže v podobě špatně se hojících popálenin. U Teslových transformátorů středního výkonu (50-150 wattů ) mohou takové popáleniny způsobit poškození nervových zakončení a významné poškození podkožních vrstev včetně poškození svalů a vazů. Tesla transformátory s jiskrovým buzením jsou méně nebezpečné z hlediska popálení, nicméně výboje vysokého napětí s následnými pauzami způsobují větší poškození nervového systému a mohou způsobit zástavu srdce (u lidí se srdečními problémy). Škody, které mohou způsobit vysokofrekvenční výkonné generátory, mezi které patří i Teslovy transformátory, jsou každopádně čistě individuální a závisí na vlastnostech organismu a psychickém stavu konkrétního člověka.

Je faktem, že ženy nejakutněji reagují na záření výkonných radiofrekvenčních zařízení, respektive, a reakce u žen je akutnější než u mužů. K transformátoru Tesla, stejně jako k jakémukoli elektrickému spotřebiči, by děti neměly vstupovat bez dozoru dospělé osoby.

Existuje však jiný názor na některé typy Teslových transformátorů. Vzhledem k tomu, že vysokofrekvenční vysoké napětí má kožní efekt , i přes potenciál milionů voltů nemůže výboj do lidského těla způsobit zástavu srdce nebo jiné vážné poškození těla, které je neslučitelné se životem.

Naproti tomu jiné vysokonapěťové generátory, jako je vysokonapěťový TV multiplikátor a další domácí vysokonapěťové stejnosměrné generátory, které mají nesrovnatelně nižší výstupní napětí (řádově 25 kV), mohou být smrtící. To vše proto, že výše uvedené převodníky používají frekvenci 50  hertzů (v klasické TV násobičce je frekvence cca 15 kHz, u monitorů ještě vyšší), tudíž nedochází k skinefektu, nebo je mizející slabý a proud bude protékat vnitřními orgány člověka (za životu nebezpečný je považován proud desítek mA).

Trochu jiný obrázek se statickou elektřinou , která může při vybití (při dotyku s kovem) velmi citlivě šokovat, ale není to fatální, protože statický náboj je relativně malý. Dalším nebezpečím, které číhá při použití Teslova transformátoru, je přebytek ozónu v krvi, který může vést k bolestem hlavy , protože při provozu zařízení vzniká velké množství tohoto plynu.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Patent USA č. 568 176, 22. září 1896. Zařízení pro výrobu elektrických proudů o vysoké frekvenci a potenciálu . Popis patentu na webu US Patent and Trademark Office .
  2. ↑ Kalašnikov S. G. , Elektřina, M., GITTL, 1956, kap. XII "Elektromagnetické vlny podél drátů", str. 261 "Stojové vlny v cívkách", s. 592-593.
  3. ↑ Tesla transformátor // Knihovna. Projekt průzkumu vesmíru.
  4. ↑ Rzhonsnitsky B.N. Nikola Tesla .

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Nikola Tesla
Kariéra a
vynálezy
jiný
Související
články
 Vysokonapěťové generátory
Elektrostatický
elektromagnetické
Elektronický