特斯拉線(xiàn)圈

??你也許看到過(guò)特斯拉線(xiàn)圈令人驚訝的放電展示。?它究竟如何工作的呢？?下面聽(tīng)聽(tīng)Kathy給我們講講特斯拉線(xiàn)圈每一部分是如何被發(fā)明，它的工作原理是什么。

??故事發(fā)生在1826年，一位名叫斯特金的退伍士兵，?研究了纏繞在鐵棒周?chē)木€(xiàn)圈，發(fā)現通電之后的鐵棒具有了磁性，可以吸引金屬鐵質(zhì)物件，這就是大眾熟悉的電磁鐵。

??大約六年之后，在1831年，法拉第打算試試看可否利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流。?但他沒(méi)有那么幸運，當時(shí)他沒(méi)有可用的強磁鐵，所以決定利用電磁鐵來(lái)實(shí)驗。?他把兩個(gè)獨立的線(xiàn)圈纏繞在一個(gè)鐵環(huán)兩邊。?發(fā)現在第一個(gè)線(xiàn)圈接通電壓或者斷開(kāi)電壓時(shí)，第二個(gè)線(xiàn)圈會(huì )出現電流脈沖。?法拉第使用磁場(chǎng)的概念來(lái)解釋這個(gè)現象，當線(xiàn)圈內的磁場(chǎng)發(fā)生變化，便會(huì )在線(xiàn)圈中感應出電流。?不過(guò)令法拉第感到沮喪的是，他從未能夠感受到第二個(gè)線(xiàn)圈上的電壓。?那個(gè)時(shí)候人們能夠測量電壓的手段并不多，只有為數不多的幾種辦法。

??幾年之后，一位來(lái)自愛(ài)爾蘭的牧師，業(yè)余科學(xué)家，名叫尼古拉斯·卡倫，?他對法拉第的裝置進(jìn)行改進(jìn)，可以獲得更強的電壓。?他把兩個(gè)線(xiàn)圈在同一電棒上進(jìn)行纏繞，之間是由絕緣層分隔開(kāi)。?他驚奇的發(fā)現當初級線(xiàn)圈斷開(kāi)與電池的連接時(shí)，可以在次級線(xiàn)圈上感受到強烈的電擊。? 當第一個(gè)線(xiàn)圈比較薄，也就是線(xiàn)圈匝數比較少，第二個(gè)線(xiàn)圈比較厚，對應的的匝數比較多時(shí)，可以感受到第二個(gè)線(xiàn)圈輸出的電壓又增強了許多。?卡倫并不知道他發(fā)明了一個(gè)升壓變壓器。

??當原邊連接電池，于是產(chǎn)生了磁場(chǎng)并把鐵芯變成了電磁鐵。?當電池斷開(kāi)后，鐵芯失去了磁性。?因此根據法拉第提出嶄新的電磁感應理論，每當電池接入線(xiàn)圈或者斷開(kāi)時(shí)，都會(huì )在副邊產(chǎn)生感應電流。?當副邊線(xiàn)圈比原邊少的時(shí)候，感應的電壓小，但產(chǎn)生的電流大。?這也解釋了為什么法拉第可以測量到電流，但并沒(méi)有感受到線(xiàn)圈上的電壓刺激。?當副邊的線(xiàn)圈增多時(shí)，便可以產(chǎn)生更大的電壓，人們感受的電壓刺激就越強，但輸出的電流相對變小。

??卡倫還發(fā)明了一個(gè)齒輪能夠不斷地完成電池進(jìn)入線(xiàn)圈和斷開(kāi)，被稱(chēng)為“重復器”，這樣就可以持續產(chǎn)生感應電壓。?他說(shuō)這是至今為止人們所建造的產(chǎn)生高壓最好的設備。?卡倫把他的實(shí)驗結果發(fā)送給他的朋友斯特金，斯特金也制作了相同的設備，并對卡倫的方案進(jìn)行了改進(jìn)，?后來(lái)很多人將這個(gè)設備當做折磨人的設備進(jìn)行出售，從而發(fā)了財。

??令人不可思議的是，感應線(xiàn)圈居然越來(lái)越流行，也被用于醫療方面，許多病癥都可以被電擊來(lái)治療，?包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，頭疼，神經(jīng)痛，風(fēng)濕病，耳朵疼，牙疼等。

??于是人們開(kāi)始競相制作可以輸出更大，輸出更加穩定持續的電擊或者火花的設備。?其中最重要的一個(gè)發(fā)明就是設計了一種線(xiàn)圈自動(dòng)完成通斷的設備，把原來(lái)的齒輪和手柄替代。?在原邊線(xiàn)圈通電時(shí)，也將鐵芯進(jìn)行磁化，于是吸引彈簧上的銜鐵擺動(dòng)，并將電流斷開(kāi)。此時(shí)線(xiàn)圈斷電，鐵芯失去磁性。釋放了銜鐵，在彈簧作用下重新連通線(xiàn)路。?這樣便可以形成20到40Hz的通斷，當時(shí)被稱(chēng)為電磁通斷器。

??然后，在電流通斷時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的火花。?到了1853年，一位法國的物理學(xué)家，名叫安阿曼德·菲扎，在電磁觸點(diǎn)兩端增加了萊頓瓶，相當于增加了一個(gè)電容器。?萊頓瓶實(shí)際上是在玻璃瓶的內外包裹了金屬膜，也是最早的電容器。?萊頓瓶的電容容量取決于金屬膜的面積和玻璃瓶壁的厚度。?自從加入了萊頓瓶，菲扎消除了電磁觸點(diǎn)的火花，但同時(shí)也創(chuàng )建了一個(gè)革新的設備，可以將來(lái)自電池的直流電能轉換成交流電。其中的原理是什么呢？

??電池連接萊頓瓶，在內外存儲了相反的電荷，如果使用線(xiàn)圈進(jìn)行短接，于是萊頓瓶放電產(chǎn)生電流脈沖。?然后，如果短接電線(xiàn)連接了線(xiàn)圈，電流脈沖通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，使得線(xiàn)圈內的磁場(chǎng)發(fā)生變化。?變化的磁場(chǎng)又會(huì )在線(xiàn)圈內感應出新的電流，這是線(xiàn)圈的自感現象。?因此當萊頓瓶在線(xiàn)圈放電時(shí)，放電電流會(huì )持續，甚至在萊頓瓶中的電荷是放完之后還會(huì )持續，這樣就會(huì )在萊頓瓶中產(chǎn)生相反的充電電荷。?于是萊頓瓶又開(kāi)始了反方向的放電，如果放電回路中沒(méi)有電阻損耗，放電電流就會(huì )來(lái)回反復流動(dòng)。?如果放電回路中存在電阻損耗，放電電流就會(huì )在每次循環(huán)中降低，直到系統中電能被完全釋放，沒(méi)有電流流動(dòng)。?電容與線(xiàn)圈相連被稱(chēng)為諧振回路，現今仍然被應用于振蕩電流。

??振蕩頻率依賴(lài)于諧振回路中的電容和電感大小。?如果你想改變震蕩頻率，可以通過(guò)改變線(xiàn)圈大小和電容形狀。?利用這種方式，在19世紀50年代，人們可以將電池的直流電轉換成幾兆赫茲的交流脈沖信號，覆蓋無(wú)線(xiàn)電波頻率范圍。?又過(guò)了若干年，科學(xué)家引入了微分方程來(lái)描述電路的工作機制。?到了1886年，德國科學(xué)家海因里奇·赫茲利用感應線(xiàn)圈第一次觀(guān)察到了無(wú)線(xiàn)電波。?然而赫茲并沒(méi)有認識到他的發(fā)現的重要性，只是認為證明了電磁波理論的正確性。

??現在我們聊聊尼古拉·特斯拉。?在1889年夏天特斯拉來(lái)到巴黎世界博覽會(huì )，聽(tīng)說(shuō)了有關(guān)電磁波的神奇實(shí)驗。?于是他自己著(zhù)手做相應的實(shí)驗，制作了感應線(xiàn)圈，?但他又進(jìn)行了新的創(chuàng )新，將原來(lái)電磁通斷器去掉，使用一臺交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電驅動(dòng)初級線(xiàn)圈。?這是非常實(shí)質(zhì)的改進(jìn)，不再依賴(lài)于機械裝置來(lái)產(chǎn)生交變電流，而直接使用交流發(fā)電機來(lái)提供交變電源。?為此特斯拉還同時(shí)發(fā)明了交流發(fā)電機，三相交流發(fā)電機。?這些裝置功率很大，使得線(xiàn)圈溫度上升，燒壞了線(xiàn)圈的絕緣層，所以他設計了空心線(xiàn)圈。

??后來(lái)他發(fā)現初級中的了萊頓瓶時(shí)好時(shí)壞，于是將萊頓瓶移到高壓次級線(xiàn)圈， 并且對電容容量能夠調整。? 通過(guò)調整次級電容大小，也可以改變次級的諧振頻率，使其為初級交流頻率的整數倍數。?借助于這種方式，特斯拉產(chǎn)生了高頻高壓電流。利用次級電容，產(chǎn)生了可調諧的高頻電磁波。?當時(shí)的特斯拉對于無(wú)線(xiàn)電報和無(wú)線(xiàn)廣播并不感興趣，他對無(wú)線(xiàn)電能傳輸照明應用比較癡迷。?為此，他增加了一個(gè)諧振回路，這個(gè)回路利用單個(gè)電線(xiàn)便可以點(diǎn)亮燈泡。?他發(fā)現對于霓虹燈、熒光燈來(lái)說(shuō)，甚至不需要任何電線(xiàn)連接，只要靠近高壓線(xiàn)圈便能夠發(fā)光。?后來(lái)人們發(fā)現在高壓線(xiàn)圈頂部增加巨大的金屬圓環(huán)，便可以產(chǎn)生非常漂亮的放電電弧。?這也是現如今特斯拉線(xiàn)圈最常見(jiàn)到的展示實(shí)驗。

??下面讓我們了解一下現代特斯拉線(xiàn)圈的工作機制以及它所能夠創(chuàng )造的迷人放電演示。?升壓變壓器通過(guò)次級線(xiàn)圈的增加來(lái)獲得更高的交流電壓。?線(xiàn)圈與電容器組成諧振回路。特斯拉線(xiàn)圈中，交流電壓首先通過(guò)升壓變壓器進(jìn)行電壓提升，相應的輸出電流減少。這一點(diǎn)與當年卡倫的變壓器作用相同。?利用放電間隙對諧振電容進(jìn)行放電，從而使得諧振回路產(chǎn)生高頻電壓。?這個(gè)高頻高壓交流電輸入到另外一個(gè)變壓器的原邊，產(chǎn)生更高的交流電壓，在次級能夠產(chǎn)生數百萬(wàn)伏的高壓交流電，并對金屬圓環(huán)體進(jìn)行充電。?由于頂部圓環(huán)上的電壓非常高，于是引起空氣電離，產(chǎn)生巨大的放電現象。

??特斯拉被這種放電現象所征服，他甚至設想建立一個(gè)巨大的放電塔，將整個(gè)地球都充滿(mǎn)電，并點(diǎn)亮大氣層。?現實(shí)中這并不可行，他甚至游說(shuō)，J·P 摩根來(lái)支持他。?在同一時(shí)期，一個(gè)意大利的年輕人的想法則比較折中和顯示，他叫古列爾莫·馬可尼，?他設想實(shí)現跨大西洋發(fā)送無(wú)線(xiàn)電報，后來(lái)他使用特斯拉線(xiàn)圈最終獲得成功。

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: https://www.youtube.com/watch?v=IN9jb3fzZd0&t=96s