Teslan muuntaja

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 19.9.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 40 muokkausta .

Tesla-muuntaja tai Tesla-kela ( eng.  Tesla coil ) on Nikola Teslan keksimä ja hänen nimeään kantava laite. Se on resonanssimuuntaja , joka tuottaa korkeaa jännitettä korkealla taajuudella. Laite patentoitiin 22. syyskuuta 1896 "Laitteeksi korkeataajuisten ja potentiaalisten sähkövirtojen tuottamiseen " [1] .

Kuinka se toimii

Tesla-muuntaja perustuu resonoivien seisovien sähkömagneettisten aaltojen käyttöön keloissa. Sen ensiökäämissä on pieni määrä kierroksia ja se on osa kipinävärähtelypiiriä , joka sisältää myös kondensaattorin ja kipinävälin. Toisiokäämi on suora kela lankaa. Jos ensiökäämin värähtelypiirin värähtelytaajuus osuu yhteen toisiokäämin luonnollisen värähtelyn (seisovan aallon) taajuuden kanssa, syntyy toisiokäämin resonanssiilmiön vuoksi seisova sähkömagneettinen aalto ja korkea käämin päiden väliin ilmestyy vaihtojännite [2] .

Resonanssimuuntajan toiminta voidaan selittää tavallisen heilahduksen esimerkillä. Jos niitä heilutetaan pakotetussa värähtelytilassa, saavutettu maksimiamplitudi on verrannollinen käytettyyn voimaan. Jos heilautat vapaiden värähtelyjen tilassa, niin samoilla ponnisteluilla maksimiamplitudi kasvaa monta kertaa. Näin on Tesla-muuntajan kanssa - toissijainen värähtelypiiri toimii heilahteena ja generaattori toimii käytettynä voimana. Niiden johdonmukaisuuden ("työntäminen" tiukasti oikeaan aikaan) varmistaa ensiöpiiri tai pääoskillaattori (riippuen laitteesta).

Yksinkertaisin Tesla-muuntaja sisältää tulomuuntajan, induktorin , joka koostuu kahdesta käämistä - ensiö- ja toisiokäämistä, kipinävälin (katkaisin, Spark Gapin englanninkielinen versio löytyy usein), kondensaattori , toroidi (ei aina käytössä) ja liitin (näkyy kaaviossa "lähtönä").

Ensiökäämissä on yleensä vain muutama kierros halkaisijaltaan suurta kupariputkea tai lankaa ja toisiokäämi noin 1000 kierrosta poikkipinta-alaltaan pienempää lankaa. Primäärikäämi voi olla litteä (vaakasuora), kartiomainen tai sylinterimäinen (pystysuora). Toisin kuin perinteiset muuntajat , tässä ei ole ferromagneettista sydäntä. Siten kahden kelan välinen keskinäinen induktanssi on paljon pienempi kuin muuntajissa, joissa on ferromagneettinen ydin. Ensiökäämi yhdessä kondensaattorin kanssa muodostaa värähtelevän piirin , joka sisältää epälineaarisen elementin - kipinävälin.

Suojakytkin, yksinkertaisimmassa tapauksessa tavallinen kaasu, koostuu kahdesta massiivisesta elektrodista, joissa on säädettävä rako. Elektrodien on kestettävä suuria virtoja niiden välisen kaaren läpi ja niillä on oltava hyvä jäähdytys.

Toisiokäämi muodostaa myös värähtelevän piirin , jossa kondensaattorin roolia hoitavat pääasiassa toroidin kapasitanssi ja itse kelan oma välikapasitanssi. Toisiokäämi päällystetään usein epoksi- tai lakkakerroksella sähköisen rikkoutumisen estämiseksi .

Pääte voidaan valmistaa kiekon, teroitettuna tapin tai pallon muotoon ja se on suunniteltu tuottamaan ennustettavissa olevia pitkiä kipinäpurkauksia .

Siten Tesla-muuntaja koostuu kahdesta yhdistetystä värähtelevästä piiristä, mikä määrittää sen merkittävät ominaisuudet ja on sen tärkein ero tavanomaisiin muuntajiin. Jotta muuntaja toimisi täysin, nämä kaksi värähtelevää piiriä on viritettävä samalle resonanssitaajuudelle. Yleensä viritysprosessin aikana ensiöpiiri säädetään toisiopiirin taajuudelle muuttamalla kondensaattorin kapasitanssia ja ensiökäämin kierrosten lukumäärää, kunnes muuntajan lähdössä saavutetaan maksimijännite.

Toimiva

Kaaviossa esitetty yksinkertaisimman mallin Tesla-muuntaja toimii pulssitilassa. Ensimmäinen vaihe on kondensaattorin varaus pysäyttimen läpilyöntijännitteeseen asti. Toinen vaihe on suurtaajuisten värähtelyjen generointi ensiöpiirissä. Rinnakkain kytketty kipinäväli , joka sulkee virtalähteen (muuntajan), sulkee sen pois piiristä, muuten virtalähde aiheuttaa tiettyjä häviöitä ensiöpiiriin ja siten alentaa sen laatutekijää . Käytännössä tämä vaikutus voi lyhentää purkauksen pituutta moninkertaisesti, joten Teslan muuntajapiirissä sulku on aina sijoitettu rinnan virtalähteen kanssa.

Lataa

Kondensaattori ladataan ulkoisesta korkeajännitelähteestä, joka perustuu matalataajuiseen porrasmuuntajaan. Kondensaattorin kapasitanssi valitaan siten, että se muodostaa yhdessä induktorin kanssa resonanssipiirin, jonka resonanssitaajuus on yhtä suuri kuin suurjännitepiiri. Taajuus eroaa kuitenkin Thomsonin kaavalla lasketusta taajuudesta , koska ensiöpiirissä on havaittavia häviöitä toisen piirin "pumppaamiseksi". Varausjännitettä rajoittaa pysäyttimen läpilyöntijännite, jota (ilmaraon tapauksessa) voidaan säätää muuttamalla elektrodien välistä etäisyyttä tai niiden muotoa. Tyypillisesti kondensaattorin latausjännite on 2-20 kilovolttia.

Sukupolvi

Saavutettuaan läpilyöntijännitteen pysäyttimen elektrodien välillä, siinä tapahtuu lumivyörymäinen kaasun sähköinen rikkoutuminen . Kondensaattori puretaan pysäyttimen kautta kelaan. Kondensaattorin purkamisen jälkeen pysäyttimen läpilyöntijännite laskee jyrkästi kaasussa jäljellä olevien varauksenkuljettajien ( ionien ) vuoksi. Siksi värähtelypiirin piiri , joka koostuu ensiökäämistä ja kondensaattorista, pysyy suljettuna kipinävälin läpi ja siinä esiintyy suurtaajuisia värähtelyjä. Värähtelyt vaimentuvat asteittain pääasiassa kipinävälin ja toisiopiirin häviöiden vuoksi, mutta jatkuvat, kunnes virta muodostaa riittävän määrän varauksenkuljettajia purkauksen ylläpitämiseksi. Toisiopiirissä esiintyy resonanssivärähtelyjä, mikä johtaa korkean jännitteen ilmaantumiseen liittimessä .

Teslan muuntajan modifikaatiot

Kaikentyyppisissä Tesla-muuntajissa päärakenneelementti - ensiö- ja toisiopiirit - pysyy muuttumattomana. Yksi sen osista - korkeataajuisten värähtelyjen generaattorilla voi kuitenkin olla erilainen. Tasavirtakäyttöisten Tesla-kelojen lyhenteet sisältävät usein kirjaimia DC, kuten DCSGTC .

Tällä hetkellä löytyy:

Teslan suurennuskelat kuuluvat myös erilliseen kategoriaan.

Tesla Transformerin käyttäminen

Tesla-muuntajan lähtöjännite voi olla useita miljoonia voltteja . Tämä jännite ilman vähimmäissähkövoimakkuuden taajuudella pystyy luomaan vaikuttavia sähköpurkauksia ilmaan, jotka voivat olla useita metrejä pitkiä. Nämä ilmiöt kiehtovat ihmisiä eri syistä, joten Tesla-muuntajaa käytetään koriste-esineenä.

Tesla käytti muuntajaa sähköisten värähtelyjen tuottamiseen ja levittämiseen, joiden tarkoituksena oli ohjata laitteita kaukaa ilman johtoja ( radioohjaus ), langatonta tiedonsiirtoa ( radio ) ja langatonta tehonsiirtoa . 1900-luvun alussa Tesla -muuntaja sai suosittua käyttöä myös lääketieteessä . [3] [4] Potilaita hoidettiin heikoilla suurtaajuuksilla virroilla, jotka ihon pinnan ohuen kerroksen läpi eivät vahingoittaneet sisäelimiä (katso: ihovaikutus , darsonvalisaatio ), samalla kun ne kohdistavat "tonic"- ja "parantava vaikutus".

On väärin olettaa, että Tesla-muuntajalla ei ole laajaa käytännön sovellusta. Sitä käytetään kaasupurkauslamppujen sytyttämiseen ja tyhjiöjärjestelmien vuotojen etsimiseen. Sen pääasiallinen käyttö nykyään on kuitenkin kognitiivinen ja esteettinen. Tämä johtuu pääasiassa merkittävistä vaikeuksista, kun on tarpeen hallita suurjännitetehon valintaa tai vielä enemmän siirtää se etäisyydelle muuntajasta, koska tässä tapauksessa laite väistämättä menee pois resonanssista ja laatu toisiopiirin kerroin ja sen jännite pienenevät myös merkittävästi.

Tesla-muuntajan käytön aikana havaitut vaikutukset

Käytön aikana Tesla-kela luo kauniita efektejä, jotka liittyvät erityyppisten kaasupurkausten muodostumiseen . Monet ihmiset keräävät Tesla-muuntajia nähdäkseen näitä vaikuttavia, kauniita ilmiöitä. Yleensä Tesla-käämi tuottaa 4 tyyppistä purkausta:

  1. Streamer ( englanniksi  Streamer ) - hämärästi hehkuvia ohuita haarautuneita kanavia, jotka sisältävät ionisoituja kaasuatomeja ja niistä irronneita vapaita elektroneja. Se virtaa käämin liittimestä (tai terävimmistä, kaarevimmista BB-osista) suoraan ilmaan menemättä maahan, koska varaus virtaa tasaisesti purkauspinnalta ilman kautta maahan. Striimaus on itse asiassa ilman näkyvää ionisaatiota (ionien hehkua), jonka muuntajan HV-kenttä synnyttää.
  2. Spark ( englanniksi  Spark ) on kipinäpurkaus . Menee liittimestä (tai terävimmistä, kaarevimmista BB-osista) suoraan maahan tai maadoitettuun esineeseen. Se on nippu kirkkaita, nopeasti katoavia tai toisiaan korvaavia filamenttisia, usein voimakkaasti haarautuneita nauhoja - kipinäkanavia. On myös erityinen kipinäpurkaus - liukuva kipinäpurkaus.
  3. Koronapurkaus on ilma - ionien  hehkua korkeajännitteisessä sähkökentässä . Luo kauniin sinertävän hehkun rakenteen BB-osien ympärille vahvalla pinnan kaarevalla.
  4. Valokaaripurkaus  - muodostuu monissa tapauksissa. Esimerkiksi riittävällä muuntajan teholla, jos maadoitettu esine tuodaan lähelle sen liitintä, valokaari voi syttyä sen ja liittimen väliin (joskus täytyy koskettaa kohdetta suoraan liittimeen ja sitten venyttää kaaria vetäen esine pidemmälle). Tämä pätee erityisesti Teslan putkikeloihin. Jos kela ei ole tarpeeksi vahva ja luotettava, provosoitu kaaripurkaus voi vahingoittaa sen komponentteja.

Voit usein havaita (etenkin voimakkaiden kelojen lähellä), kuinka purkaukset menevät paitsi itse kelasta (sen liittimestä jne.), myös sitä kohti maadoitetuista esineistä. Myös koronapurkausta voi esiintyä tällaisissa esineissä . Harvoin voidaan havaita myös hehkupurkausta . On mielenkiintoista huomata, että tietyt ioniset kemikaalit, joita käytetään purkausliittimeen, voivat muuttaa purkauksen väriä. Esimerkiksi natriumionit muuttavat tavallisen kipinän värin oranssiksi ja boori  vihreäksi.

Resonanssimuuntajan toimintaan liittyy tyypillinen sähköinen rätinä. Tämän ilmiön esiintyminen liittyy striimien muuttumiseen kipinäkanaviksi (katso artikkeli kipinäpurkaus ), johon liittyy virran voimakkuuden ja niissä vapautuvan energian voimakas lisääntyminen. Jokainen kanava laajenee nopeasti, paine nousee äkillisesti siinä, minkä seurauksena sen rajoilla syntyy iskuaalto . Laajentuvien kipinäkanavien shokkiaaltojen yhdistelmä synnyttää äänen, joka koetaan kipinän "halkeamaksi".

Vaikutukset ihmiskehoon

Korkean jännitteen lähteenä Tesla-muuntaja voi olla tappava. Tämä pätee erityisesti raskaisiin asennuksiin lamppuihin tai kenttätransistoreihin. Joka tapauksessa pienitehoisille Tesla-muuntajille on ominaista korkeajännitteisen korkeataajuisen energian vapautuminen, joka voi aiheuttaa paikallisia vaurioita iholle huonosti paranevien palovammojen muodossa. Keskitehoisissa Tesla-muuntajissa (50-150 wattia ) tällaiset palovammat voivat aiheuttaa hermopäätteiden vaurioita ja merkittäviä vaurioita ihonalaisille kerroksille, mukaan lukien lihasten ja nivelsiteiden vauriot. Kipinäherätetyt Tesla-muuntajat ovat palovammojen kannalta vähemmän vaarallisia, mutta korkeajännitteiset purkaukset, joita seuraa taukoja, aiheuttavat enemmän vahinkoa hermostolle ja voivat aiheuttaa sydämenpysähdyksen (sydänongelmista kärsivillä). Joka tapauksessa vahingot, joita korkeataajuiset voimakkaat generaattorit voivat aiheuttaa, mukaan lukien Tesla-muuntajat, ovat puhtaasti yksilöllisiä ja riippuvat organismin ominaisuuksista ja tietyn henkilön henkisestä tilasta.

On tosiasia, että naiset reagoivat terävimmin voimakkaiden radiotaajuuslaitteiden säteilyyn, ja naisten reaktio on akuutimpi kuin miehillä. Lapsia ei saa päästää Tesla-muuntajaan tai mihinkään sähkölaitteeseen ilman aikuisen valvontaa.

Joidenkin Tesla-muuntajien suhteen on kuitenkin toinen mielipide. Koska suurtaajuisella korkeajännitteellä on ihovaikutus , miljoonien volttien potentiaalista huolimatta purkautuminen ihmiskehoon ei voi aiheuttaa sydämenpysähdystä tai muuta vakavaa, elämän kanssa yhteensopimatonta vauriota keholle.

Sitä vastoin muut suurjännitegeneraattorit, kuten korkeajännite-TV-kerroin ja muut kotimaiset korkeajännitteiset tasavirtageneraattorit, joiden lähtöjännite on verrattoman pienempi (luokkaa 25 kV), voivat olla tappavia. Kaikki tämä johtuu siitä, että yllä mainitut muuntimet käyttävät 50  hertsin taajuutta (perinteisessä TV-kertoimessa taajuus on noin 15 kHz, näytöissä jopa korkeampi), joten ihoefektiä ei ole tai se on katoavan heikko, ja virta virtaa ihmisen sisäelinten läpi (hengelle vaaralliseksi katsotaan kymmenien mA virta).

Hieman erilainen kuva staattisella sähköllä , joka voi hyvin herkästi iskeä purkautuessaan (koskettaessa metallia), mutta se ei ole kohtalokasta, koska staattinen varaus on suhteellisen pieni. Toinen Tesla-muuntajaa käytettäessä piilevä vaara on ylimääräinen otsoni veressä, mikä voi aiheuttaa päänsärkyä , koska suuri osa tästä kaasusta muodostuu laitteen toiminnan aikana.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ US-patentti nro 568 176, 22. syyskuuta 1896. Laite korkeataajuisten ja potentiaalisten sähkövirtojen tuottamiseen . Patentin kuvaus Yhdysvaltain patentti- ja tavaramerkkiviraston verkkosivuilla .
  2. ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, ch. XII "Sähkömagneettiset aallot johtoja pitkin", s. 261 "Seisovat aallot keloissa", s. 592-593.
  3. ↑ Tesla muuntaja // Kirjasto. Avaruustutkimusprojekti.
  4. ↑ Rzhonsnitsky B.N. Nikola Tesla .

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 Nikola Tesla
Ura ja
keksinnöt
muu
Aiheeseen liittyviä
artikkeleita
 Korkeajännitegeneraattorit
Sähköstaattinen
sähkömagneettinen
Elektroninen