סליל טסלה: היסטוריה, איך היא עובדת, בשביל מה היא מיועדת - גוּפָנִי - 2025

סליל טסלה הוא מתפתל פונקציות כמו מתח גבוה, גנרטור בתדר גבוה. הוא הומצא על ידי הפיזיקאי ניקולה טסלה (1856 - 1943), שהטיל עליו פטנט בשנת 1891.

אינדוקציה מגנטית גרמה לטסלה לחשוב על האפשרות להעביר אנרגיה חשמלית ללא התערבות של מוליכים. לכן הרעיון של המדען והממציא היה ליצור מכשיר שישמש להעברת חשמל ללא שימוש בכבלים. עם זאת, השימוש במכונה זו אינו יעיל מאוד, כך שבסופו של דבר ננטש למטרה זו.

איור 1. הדגמה עם סליל טסלה. מקור: Pixabay.

אף על פי כן, עדיין ניתן למצוא סלילי טסלה עם יישומים ספציפיים, כמו למשל בפילונים או בניסויים בפיזיקה.

הִיסטוֹרִיָה

הסליל נוצר על ידי טסלה זמן קצר לאחר שעלו הניסויים של הרץ. טסלה עצמו כינה זאת "מכשיר להעברת אנרגיה חשמלית." טסלה רצתה להוכיח שניתן להעביר חשמל ללא חוטים.

במעבדתו בקולורדו ספרינגס עמד טסלה לרשותו סליל ענק בגודל 16 מטר המחובר לאנטנה. המכשיר שימש לביצוע ניסויי העברת אנרגיה.

התנסה בסלילי טסלה.

באחת הפעמים אירעה תאונה שנגרמה על ידי סליל זה בו נשרפו דינמואים מתחנת כוח שנמצאת במרחק 10 קילומטרים משם. כתוצאה מהכישלון, הופקו קשתות חשמליות סביב סיבובי הדינמו.

אף אחד מאותם לא התייאש מטסלה, שהמשיכה להתנסות בעיצובים רבים של סלילים, הידועים כיום בשמו.

איך זה עובד?

סליל הטסלה המפורסם הוא אחד העיצובים הרבים שניקולה טסלה עשה כדי להעביר חשמל ללא חוטים. הגרסאות המקוריות היו גדולות בגודלן והשתמשו במקורות מתח גבוה וזרם גבוה.

באופן טבעי כיום ישנם עיצובים קטנים, קומפקטיים ותוצרת בית בהרבה שנתאר ונסביר בסעיף הבא.

איור 2. תרשים של סליל הטסלה הבסיסי. מקור: תוצרת עצמית.

עיצוב המבוסס על הגרסאות המקוריות של סליל הטסלה הוא זה שמוצג באיור למעלה. ניתן לחלק את התרשים החשמלי באיור הקודם לשלושה חלקים.

מקור (ו)

המקור מורכב מגנרטור זרם חילופי ושנאי בעל רווח גבוה. תפוקת המקור היא בדרך כלל בין 10,000 V ל 30,000 V.

מעגל התהודה הראשון LC 1

זה מורכב מתג S המכונה "Spark Gap" או "Explosor", הסוגר את המעגל כאשר ניצוץ קופץ בין קצותיו. במעגל LC 1 יש גם קבל C1 וסליל L1 המחוברים בסדרה.

מעגל תהודה שני LC 2

מעגל LC 2 מורכב מסליל L2 שיש לו יחס סיבוב של כ 100 עד 1 ביחס לסליל L1 וקבל C2. קבל C2 מתחבר לסליל L2 דרך האדמה.

סליל ה- L2 הוא בדרך כלל חוט פצוע עם אמייל מבודד על צינור של חומר לא מוליך כמו קרמיקה, זכוכית או פלסטיק. סליל L1, אם כי אינו מוצג ככה בתרשים, נפצע על סליל L2.

קבל C2, כמו כל הקבלים, מורכב משני לוחות מתכת. בסלילי טסלה, אחת מלוחות ה- C2 בדרך כלל בצורת כיפה כדורית או טורואידית ומחוברת בסדרה עם סליל ה- L2.

הלוח האחר של C2 הוא הסביבה הסמוכה, למשל הדום מתכתי שהסתיים בכדור ומחובר לקרקע לסגירת המעגל עם הקצה השני של L2, המחובר גם לקרקע.

מנגנון פעולה

כאשר סליל טסלה מופעל, מקור המתח הגבוה טעון קבל C1. כאשר זה מגיע למתח גבוה מספיק, הוא קופץ ניצוץ במתג S (פער ניצוץ או מפץ) וסוגר את מעגל התהודה הראשון.

ואז הקבל C1 פורש דרך הסליל L1 ויוצר שדה מגנטי משתנה. שדה מגנטי משתנה זה עובר גם דרך סליל L2 ומשרה כוח אלקטרומוטיבי על סליל L2.

מכיוון ש- L2 אורך כמאה סיבובים מ- L1, המתח החשמלי לרוחב L2 גדול פי 100 מזה של ה- L1. ומכיוון שב- L1 המתח הוא בסדר גודל של 10,000 וולט, אז ב- L2 הוא יהיה מיליון וולט.

האנרגיה המגנטית שנצברה ב- L2 מועברת כאנרגיה חשמלית לקבל C2, שכאשר הוא מגיע לערכי מתח מרביים בסדר גודל של מיליון וולט מיינן את האוויר, מייצר ניצוץ ומופרש בפתאומיות דרך האדמה. הפרשות מתרחשות בין 100 ל -150 פעמים בשנייה.

מעגל LC1 נקרא תהודה מכיוון שהאנרגיה המצטברת בקבל C1 עוברת לסליל L1 ולהיפך; כלומר מתרחש תנודה.

כך קורה במעגל התהודה LC2, בו האנרגיה המגנטית של הסליל L2 מועברת כאנרגיה חשמלית לקבל C2 ולהיפך. כלומר, במעגל מופק זרם הלוך ושוב לסירוגין.

תדר התנודה הטבעי במעגל LC הוא

תהודה ואינדוקציה הדדית

כאשר האנרגיה המסופקת למעגלי LC מתרחשת באותה תדר כמו התדר הטבעי של תנודת המעגל, אז העברת האנרגיה היא אופטימלית, ומייצרת הגברה מקסימלית בזרם המעגל. תופעה זו המשותפת לכל המערכות המתנדנדות מכונה תהודה.

מעגלי LC1 ו- LC2 צמודים למגנטיות, תופעה נוספת הנקראת אינדוקציה הדדית.

בכדי שהעברת האנרגיה ממעגל LC1 ל- LC2 ולהפך תהיה אופטימאלית, תדרי התנודה הטבעיים של שני המעגלים חייבים להתאים, והם צריכים להתאים גם לתדר של מקור המתח הגבוה.

זה מושג על ידי התאמת ערכי הקיבול והשראות בשני המעגלים, כך שתדרי התנודה חופפים לתדר המקור:

כאשר זה קורה, הכוח מהמקור מועבר ביעילות למעגל LC1 ומ- LC1 ל- LC2. בכל מחזור תנודות עולה האנרגיה החשמלית והמגנטית שנצברת בכל מעגל.

כאשר המתח החשמלי על פני C2 מספיק גבוה, אז אנרגיה משתחררת בצורה של ברק על ידי הפרשת C2 לקרקע.

סליל טסלה משתמש

הרעיון המקורי של טסלה בניסוייו עם סלילים אלה היה תמיד למצוא דרך להעביר אנרגיה חשמלית למרחקים ארוכים ללא חיווט.

עם זאת, היעילות הנמוכה של שיטה זו עקב הפסדי אנרגיה על ידי פיזור בסביבה גרמה לנחוץ לחפש אמצעים אחרים להעברת אנרגיה חשמלית. כיום משתמשים עדיין בחיווט.

מנורת פלזמה, שעזרה בפיתוח הניסוי של טסלה.

עם זאת, רבים מהרעיונות המקוריים של ניקולה טסלה עדיין קיימים במערכות ההולכה הקוויות של ימינו. לדוגמה, שנאים מדרגות בתחנות כוח חשמליות להעברה על כבלים עם פחות הפסדים, ושנאים מורדים להפצה בבתים, תוכנן על ידי טסלה.

למרות שלא נעשה שימוש בקנה מידה גדול, סלילי טסלה ממשיכים להיות שימושיים בתעשיית החשמל במתח גבוה לבדיקת מערכות בידוד, מגדלים ומכשירים חשמליים אחרים אשר חייבים לתפקד בבטחה. הם משמשים גם במופעים שונים ליצירת ברקים וניצוצות, כמו גם בניסויים מסוימים בפיזיקה.

חשוב לנקוט באמצעי בטיחות בניסויי מתח גבוה עם סלילי טסלה גדולים. דוגמה לכך היא השימוש בכלובי פאראדיי להגנה על משקיפים וחליפות רשת מתכתיות עבור מבצעים שמשתתפים במופעים עם סלילים אלה.

איך מכינים סליל טסלה ביתי?

רכיבים

לא ייעשה שימוש במקור AC מתח גבוה בגירסה מיניאטורית זו של סליל הטסלה. להפך, מקור הכוח יהיה סוללת 9 וולט, כפי שמוצג בתרשים באיור 3.

איור 3. סכמטי לבניית סליל טסלה מיני. מקור: תוצרת עצמית.

ההבדל הנוסף מגירסת טסלה המקורית הוא השימוש בטרנזיסטור. במקרה שלנו זה יהיה 2222A, שהוא טרנזיסטור NPN בעל אות נמוך אך עם תגובה מהירה או תדר גבוה.

במעגל יש גם מתג S, סליל ראשוני 3 פניות L1 וסליל משני L2 של 275 סיבובים מינימום, אך הוא יכול גם להיות בין 300 ל -400 סיבובים.

ניתן לבנות את הסליל הראשוני עם חוט משותף עם בידוד מפלסטיק, אולם הסליל המשני דורש חוט דק המכוסה בלכה מבודדת, והיא זו המשמשת בדרך כלל בסלילים. ניתן לבצע את הגלגול על קרטון או צינור פלסטיק בקוטר 3 עד 4 ס"מ.

באמצעות הטרנזיסטור

יש לזכור שבתקופת ניקולה טסלה לא היו טרנזיסטורים. במקרה זה הטרנזיסטור מחליף את "פער הניצוץ" או "המטען" של הגרסה המקורית. הטרנזיסטור ישמש כשער המאפשר מעבר של זרם או לא. לשם כך, הטרנזיסטור מקוטב כדלקמן: האספן c למסוף החיובי והפולט e אל המסוף השלילי של הסוללה.

כאשר לבסיס b יש קיטוב חיובי, אז הוא מאפשר מעבר של זרם מהאספן לפולט, אחרת הוא מונע זאת.

בתכנית שלנו, הבסיס מחובר לחיובי של הסוללה, אך מוכנס נגן 22 קילו אוהם, כדי להגביל את עודף הזרם שיכול לשרוף את הטרנזיסטור.

המעגל מציג גם דיודת LED שיכולה להיות אדומה. תפקידה יוסבר בהמשך.

בקצה החופשי של הסליל המשני L2 מונח כדור מתכת קטן שיכול להתבצע על ידי כיסוי כדור קלקר או כדור פונג פינים בנייר אלומיניום.

כדור זה הוא הפלטה של ​​קבל C, והצלחת השנייה היא הסביבה. זה מה שמכונה יכולת טפילית.

איך עובד סליל טסלה מיני

כאשר מתג S סגור, בסיס הטרנזיסטור מוטה באופן חיובי, והקצה העליון של הסליל הראשוני מוטה גם הוא חיובי. אז מופיע בפתאומיות זרם שעובר בסליל הראשוני, ממשיך דרך האספן, עוזב את הפולט וחוזר לסוללה.

זרם זה גדל מאפס לערך מקסימאלי בזמן קצר מאוד, וזו הסיבה שהוא משרה כוח אלקטרומטי בסליל המשני. זה מפיק זרם שעובר מתחתית סליל ה- L2 לבסיס הטרנזיסטור. זרם זה מפסיק בפתאומיות את הקיטוב החיובי של הבסיס כך שזרם זרם דרך העצירות הראשוניות.

בכמה גרסאות מוסרת דיודת הלד והמעגל עובד. עם זאת, הצבתו משפרת את היעילות בחיתוך הטיה של בסיס הטרנזיסטור.

מה קורה כאשר הזרם מסתובב?

במהלך מחזור הצמיחה המהיר של הזרם במעגל הראשוני הועלה כוח אלקטרומוטיבי בסליל המשני. מכיוון שיחס הסיבובים בין ראשוני ומשני הוא 3 עד 275, לקצה החופשי של סליל L2 יש מתח של 825 V ביחס לקרקע.

בשל האמור לעיל, נוצר שדה חשמלי אינטנסיבי בתחום הקבל C המסוגל ליינן את הגז בלחץ נמוך בצינור ניאון או במנורת ניאון המתקרבת לתחום C ולהאיץ את האלקטרונים החופשיים בתוך הצינור. כמו לרגש את האטומים שמייצרים את פליטת האור.

כאשר הזרם נפסק בפתאומיות דרך סליל L1 וסליל L2 שהופרש באוויר המקיף C לכיוון הקרקע, המחזור מופעל מחדש.

הנקודה החשובה במעגל מסוג זה היא שהכל קורה בזמן קצר מאוד, כך שיש לכם מתנד בתדירות גבוהה. במעגל מסוג זה, הרפרוף או התנודה המהירה המיוצרת על ידי הטרנזיסטור חשובים יותר מתופעת התהודה המתוארת בסעיף הקודם ומתייחס לגרסה המקורית של סליל הטסלה.

הוצעו ניסויים עם סלילי טסלה מיני

ברגע שנבנה סליל המיני טסלה, ניתן להתנסות בו. ברור שהברקים והניצוצות של הגרסאות המקוריות לא יופקו.

עם זאת, בעזרת נורת פלואורסצנט או צינור ניאון, אנו יכולים לראות כיצד ההשפעה המשולבת של השדה החשמלי האינטנסיבי שנוצר בקבל בסוף הסליל והתדירות הגבוהה של התנודה של אותו שדה, הופכת את המנורה נדלק רק מתקרב לתחום הקבל.

השדה החשמלי החזק מיינן את הגז בלחץ נמוך בתוך הצינור, ומשאיר אלקטרונים חופשיים בתוך הגז. לפיכך, התדר הגבוה של המעגל גורם לאלקטרונים החופשיים בתוך הצינור הניאון להאיץ ולרגש את אבקת הניאון הדבוקה לדופן הפנימית של הצינור, וגורם לו לפלוט אור.

אתה יכול גם לקרב נורית LED זוהרת לתחום C, תוך התבוננות כיצד הוא נדלק גם כאשר סיכות ה- LED לא חוברו.

הפניות

1. תורת סלילי טסלה של בלייק, ט. התאושש מ: tb3.com.
2. ברנט, ר. הפעלת סליל הטסלה. התאושש מ: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. פיזיקה: מושגים ויישומים. מהדורה 7. גבעת מקגרו. 626-628.
4. אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון. סליל טסלה. התאושש מ: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. סליל טסלה. התאושש מ: wikiwand.com.