特斯拉線圈與無線電力傳輸

摘要：本文就特斯拉線圈的起源、物理結(jié)構進行了分析。具體介紹了小型特斯拉線圈的簡單應用，在此基礎上對特斯拉線圈的工作原理進行了分析和討論。理論分析表明，在特斯拉線圈工作的過程中會產(chǎn)生高壓電，若在操作過程中不采取必要的防護措施，會對操作人員和周邊環(huán)境或設備等產(chǎn)生巨大的破壞。因此在對特斯拉線圈進行研究和應用時，一定要注意安全。

關鍵詞：特斯拉線圈；起源；物理結(jié)構；工作原理；防護措施

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712（2012）20-0058-01

第一次接觸特斯拉線圈還是在中國達人秀上面，我永遠也忘不了那位年輕而又神秘的少年——盧馭龍，年僅16歲的他就成為了中國科學達人。同時我也認識了另一位好朋友——“特斯拉線圈”。

特斯拉線圈（Tesla Coil）在本質(zhì)上來說是一種特殊的變壓器。該變壓器通過多級耦合電路將普通交流電壓提升的百萬伏或者千萬伏級別的電壓。經(jīng)過特斯拉線圈作用的放電終端的電壓特性為低電流、超高壓、高頻率。特斯拉線圈最早由尼古拉·特斯拉發(fā)明。特斯拉對線圈進行了多種方式的配置，他試圖通過利用不同方式，結(jié)合不同實驗現(xiàn)象對線圈配置進行改進和優(yōu)化，以期可以通過該線圈實現(xiàn)電力的無線傳輸。特別是其為科學研究而建造了沃登克里弗塔，但是資金的短缺導致該項目最終還是失敗了。但是這并不能證明無法利用特斯拉線圈進行電力的無線傳輸。本文就特斯拉線圈及如何利用特斯拉線圈實現(xiàn)電力的無線傳輸進行了研究。

一個小型的特斯拉線圈物理結(jié)構應該由以下幾個模塊構成：感應線圈模塊、打火模塊、電容器模塊、變壓器模塊、互感模塊。其中電容器部分要求至少要有兩個大容量電容，要求互感器部分的初級線圈的圈數(shù)要少一些，保證增大電壓的能力。

對線圈進行放電，電能通過變壓線圈耦合到大容量電容陣中。隨著電容充電過程的不斷持續(xù)，電容兩級電勢差會不斷增大，一旦該差值超過擊穿電壓值，就會對電容兩極間的打火器進行點火，進而在電容陣和主線圈之間形成閉合回路，該回路利用電磁效應將電能通過耦合由初級線圈耦合到次級線圈中。

利用特斯拉線圈可以將普通交流電壓耦合到高頻高壓范圍，因此使用該線圈時需要注意采取必須的防護措施，以免發(fā)生事故。

為了讓大家更清楚的理解，這里我做了一個小型特斯拉線圈，如圖1所示。

圖中所示為小型特斯拉線圈裝置，大體分為5個部分，放電頂端裝置1號位置，次級線圈2號位置表示，初級線圈表示在3號位置，底座為4號位置，外輸出裝置在5號位置表示。該裝置主要由放電頂端的球形裝置產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象以及外輸出裝置（節(jié)能燈發(fā)光）呈現(xiàn)。當節(jié)能燈靠近次級線圈，達到一定距離時就會發(fā)光，同時放電頂端表面的電弧變?nèi)酢Ｍ瑯樱嚯x變遠時，燈光由亮變暗，電弧現(xiàn)象增強。由該實驗可以看出，特拉斯線圈可以實現(xiàn)電力的無線傳輸。若提高特拉斯線圈的電壓和頻率，可以將電能輸送到很遠的地方。利用特斯拉線圈實現(xiàn)電能的無線傳輸是其今后的主要發(fā)展趨勢。

基本的特斯拉線圈原理圖如下圖2所示，電源端電壓經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟姡撝绷麟妼芈分械拇笕萘侩娙葸M行充電。隨著充電的進行，電容兩級間的電勢差不斷增大，當電容兩極間的電勢差超過空氣所能承受的最大絕緣電壓時會在電容兩極間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。此時初級諧振回路處于導通狀態(tài)，整個電路的能量通過耦合效應由初級回路耦合到次級回路。通過幾個周期的耦合后，大部分能量被轉(zhuǎn)移到次級回路中。其中，部分能量會因線路損耗等被損耗掉。根據(jù)線圈結(jié)構可知，在次級回路中的能量還會通過耦合返回到初級回路，期間部分能量被損耗。幾個耦合周期后，電容兩端的電勢差無法擊穿空氣，導致初級線圈所在回路斷開，該過程結(jié)束，電源重新進入充電狀態(tài)。特斯拉線圈的放電過程只有三到十毫秒，但是線圈的放電頻率超過100次每秒，因此雖然放電過程持續(xù)時間較短，但仍舊會給觀察者以持續(xù)放電的效果。

通過上述分析可知，其結(jié)構和原理相對簡單，實現(xiàn)較為容易。但是在大規(guī)模實際應用中，對其與環(huán)境的調(diào)試具有非常大的操作難度。雖然理論和局部驗證性質(zhì)的實驗證明利用特斯拉線圈可以實現(xiàn)電能的無線傳輸，且該方式傳輸效率高、對生態(tài)破壞性小，但是實際應用中還存在諸多困難和障礙，還無法將其應用到實際電力輸送中。

需要注意的是，特斯拉線圈能夠?qū)⑵胀妷禾嵘匠叻妷憾危撾A段電壓遠遠超出了人類的承受能力，若不慎發(fā)生觸電不僅會導致觸電者瞬間死亡，還會對觸電者周圍環(huán)境產(chǎn)生破壞，因此在線圈的制造和維護過程中一定要采取足夠的防護措施，操作人員要嚴格按照其所掌握的理論基礎和操作規(guī)范進行操作，以免發(fā)生危險，對人和設備造成危害。

參考文獻：

[1]陳景彥.輸電線路運行維護理論與技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]瑪格麗特·切尼.被埋沒的天才：科學超人尼古拉·特斯拉[M].重慶：重慶出版社，2010.