基于特斯拉線圈對高壓電技術教學的項目研究

曹政欽 尹泰 魏鋼 張海燕 朱家富

摘 ? 要：《高電壓技術》課程作為學校電氣專業的一門核心課程，是學生學習的基礎?，F依據本科教育人才培養目標，在普通教學模式下引入基于特斯拉線圈的高電壓技術課堂演示環節，通過該教學環節，可以讓學生更加具體直觀地理解氣體放電知識內容更為具體、直觀，拉近學生與該課程的心理距離有效提高學生的課堂積極性和參與度，同時增強學生的科學素養與創新意識，從而為今后的工作打下強有力的實踐基礎。

關鍵詞：特斯拉線圈 ?高電壓技術 ?教學改革

中圖分類號：TM724 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0229-02

進入21世紀以來，隨著我國社會和經濟的快速發展，電力系統覆蓋面積越來越廣，對電能的大規模遠距離傳輸的需求也越來越多，在促進社會發展和方便人們生活的同時，也帶來了許多高電壓相關的技術問題。《高電壓技術》是重慶科技學院電氣工程及其自動化本科生需要選修的一門專業課程，同時也是電力專業從業人員需要掌握的專業知識。該課程對于學生夯實專業知識，提高就業競爭力，增強實踐能力具有十分重要的意義。

1 ?課程教學特點及現狀

《高電壓技術》主要包括電介質絕緣電氣特性、高電壓試驗的方法和檢測方法、電氣設備絕緣配合等內容。其涉及到多門電氣專業基礎課程知識，具有體系深，覆蓋知識面廣的特點。同時，該課程也是一門實踐性極強的工程技術學科。但作為本校電氣專業的選修課程，授課學時少，授課形式也較為單一。因此，對于大多數學生而言，該課程理論性較強，內容抽象，學習熱情難以被激發，并在主觀上無法對該課程高度重視。針對以上難題，提出通過制作實物課堂演示進行教學來幫助學生理解相關知識，提高學生課堂積極性和參與度。

2 ?基于特斯拉線圈的實物演示課堂教學

2.1 特斯拉線圈原理

特斯拉線圈工作原理如圖1所示。其放電過程主要可分為三個階段：首先接入電源，電流經過變壓器升壓并給電容充電，其工作電路如圖2所示;其次，打火器點火擊穿空氣形成初級回路，產生LC振蕩并向次級線圈傳遞能量，其工作電路如圖3所示;最后，在次級回路中放電頂端電壓達到閾值形成閃電，其工作電路如圖4所示。

（1）升壓區：交流電壓經過升壓變壓器升壓后，再經整流橋轉換成直流電壓給電容C1充電，電容兩極板的電勢差逐漸增大，使得與其并聯的打火器兩端電壓增大，當電容兩極的電壓增大到打火器擊穿電壓的閥值時，打火器間隙被擊穿，初級回路導通。如圖3所示。

（2）振蕩區：初級回路中的電容C1和初級線圈L1構成一個LC振蕩回路。此時由于LC振蕩，初級電路中的能量會在電容C1和初級線圈L1之間反復轉換。又由于初級線圈與次級線圈耦合，此時次級線圈中會產生感生電動勢。如圖4所示。

（3）放電區：在次級線圈產生高電壓后，由于次級回路LC振蕩，次級回路中的電荷會不斷流向放電頂端，放電頂端電壓不斷升高，當放電頂端的電壓達到一定值時，放電頂端會放出高壓電弧。

2.2 基于特斯拉線圈的教學實施

2.2.1 課前預習

在課堂向學生展示并介紹演示要用到的火花間隙特斯拉線圈，其實物如圖5所示，讓學生自行觀察并結合課本中沖擊放電實驗和氣體放電部分的知識內容，了解特斯拉線圈各部分組成及其功能，大致熟悉特斯拉線圈工作原理及其過程。

2.2.2 課堂演示

接通電源，電流先經過整流再到變壓器升壓，電容開始充電，充電完成后打火器兩端空氣被擊穿。此時，會伴隨“啪啪”的噪音，同時，放電頂端周圍空氣將被電離，直至頂端放置的不銹鋼金屬球周圍產生電弧，其放電圖如圖6所示，該電弧與微型閃電相似，學生可近距離明顯觀察現象。與此同時，教師可現場結合教學內容對該現象作進一步闡述，組織學生答疑，加深學生對相關知識的理解。

2.2.3 課后拓展

觀察完特斯拉線圈放電現象后，教師可讓學生課后自行討論并查閱相關資料了解特斯拉線圈的歷史與適用范圍等，有興趣的學生可以思考特斯拉線圈的創新應用等，提高個人動手能力，培養科學創新思維。

2.3 教學實物效果及展望

將實物演示引入教學環節，將抽象的放電理論具體化，對于學生掌握課堂內容并養成樂于探究，熱愛科學的學習精神有較大的促進作用;該裝置成套原材料平均成本僅為200元左右，遠低于市場成品價格。此外，該裝置經久耐用，不易損壞，預期使用可達5年以上;同時，該裝置具有良好的教學效益：除了課堂演示之外，通過了解設備的材料、安裝及原理也能使學生積極融入教學實踐。對于該教具在學校的投入使用，具有很好的應用前景。該裝置可大面積用于課堂演示及實驗教學。

3 ?結語

通過制作特斯拉線圈并進行課堂演示，來加深學生對沖擊電壓發生器和放電理論的認識。通過一系列實驗，增加課堂師生之間的互動性，活躍課堂氛圍，增強學生興趣;利用實物具體闡釋課本內容，幫助學生對課堂內容的理解，加深其對知識的印象;在學生觀察學習的過程中，不僅增加了他們的參與感，同時也為培養學生課外探究與創新能力打下堅實基礎。

參考文獻

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