特斯拉线圈(特斯拉线圈工作原理)

01简介

在Bowen对微特斯拉线圈振荡电路的分析[1]中，讨论了一个微特斯拉电路中的振荡现象，并对特斯拉线圈引起的电路振荡波形进行了实验比较。以我自己在电子方面的经验，对于特斯拉线圈的奇特之处，还是有很多疑惑的。

网友GradientZero在留言中给出了一些相关链接，并给出了其他人的相关研究。

David W Knight, The self-resonace and self-capacitance of solenoid coils.[2]Charles W. Van Neste, Signle-Contact Transmission for the quasi-wireless delivery of Power over large surfaces[3]Voitkans, Janis, and Arnis Voitkans, Tesla Coil Theoretical Modeal and its Experimental VerficationVoitkans在他的论文[4]中建立了特斯拉线圈的理论模型，利用传输线理论计算了特斯拉线圈的谐振频率和电压分布，并通过实验结果讨论了模型的有效性。

[4]

▲电路中的特斯拉线圈

02特斯拉线圈

特斯拉变压器是一种用来产生高电压的装置。它最初是由尼古拉·特斯拉发明的。特斯拉在科技领域的工作价值并没有得到人们的充分认可。直到今天，我们才能逐渐理解他的伟大发明的意义。比如远距离无线电力传输技术，当年他提出来的时候就太超前时代了。

特斯拉变压器产生高电压的原理尚未得到充分研究，这给特斯拉线圈的设计和制造以及预测其特性和工作参数带来了困难。

▲诺科拉-特斯拉

特斯拉线圈通常由两个耦合的空磁心线圈组成。初级线圈直径比较粗，匝数少，工作电流大。二次线圈通常采用单层空线芯线圈形式，线径较细的漆包线绕制。

下图显示了两种结构的特斯拉变压器的形式。它是次级线圈外面底部的左侧初级线圈。次级线圈的上端接球形负载，下端接地，或接供电设备的外壳。

右边是自耦变压器的形式，可以稍微提高输出电压的值。

▲两个特斯拉线圈的构成

特斯拉线圈产生高压的原理与普通变压器不同。普通变压器的输出电压取决于次级线圈匝数与初级线圈匝数之比。特斯拉线圈产生的高压取决于线圈在某个工作频谱(自谐振频率)内的Q值。

输出的高压不仅与次级线圈感应的匝数有关，而且在线圈的谐振过程中被放大了Q倍，使得输出的高压大大超过了初级和次级线圈的匝数比。

我们知道，电路谐振需要电路中存在电感、电容等储能器件，电能在这些器件之间形成磁场和电场两种不同的能量形式。当发生并联串联谐振时，电路中储存的能量在电感和电容之间进行交换，会形成较大的串联谐振电压。谐振电压的值比驱动电压的值高q倍。

▲线圈的杂散电容及其分布

谐振线圈的Q值可以理解为线圈中电能在磁场和电场的第一个转换周期内损失的那部分，占整个能量的比例，对应于这个1/Q，即电路自由振荡的条件下，经过Q次振荡后，内部的电能就会被消耗掉。

特斯拉线圈谐振是线圈的电感和分布在线圈中的杂散电容之间形成的谐振。

任何电感都会伴随杂散电容，但特斯拉的自谐振在原理上与普通电感谐振有很大不同。在Voikhans的论文中，他把特斯拉线圈和周围的虚底线看作传输线[5]，感应电动势在传输线中产生正向和反射行波，在一些固定频率上形成驻波。它是Q阶行波的叠加，最终在输出端形成高压。

▲构造特斯拉线圈作为传输线。

因此，线圈不同位置对应的电压是不同的。怎样才能证明这些驻波的存在以及线圈上的电压分布？

大卫·奈特[2]在论文中展示了一种非常直观的方法来显示特斯拉线圈上的驻波，即在线圈旁边防止一个阴极荧光灯。高电压会激发阴极荧光灯发光，不同位置的电压可以通过光的强度显示出来。如下图。

▲不同驻波下特斯拉线圈不同位置的电压强度变化

此外，通过微型天线可以在特斯拉线圈周围逐点测量不同位置的驻波。

这些模型和相关现象极大地丰富了我们对特斯拉线圈工作原理的理解。

03实验验证

在鲍文的特斯拉线圈的自谐振现象[6]中，记载了我手头只有一个非常小的特斯拉线圈。因为它周围的漆包线线径很小，对应线圈的Q值也不大。手头没有专门的阴极荧光灯。那么如何证明特斯拉线圈自谐振和普通线圈自谐振的区别呢？

下面用频谱分析仪测量线圈本身的共振现象来比较普通线圈和特斯拉线圈的区别。

由于线圈的谐振频率与其周围环境有关，尤其是在测量线圈本身的谐振频率时，任何与之接触的测量仪器都会向其引入杂散电容，导致谐振频率测量不准确。

接下来，光谱仪产生的扫频电磁场用于测量线圈本身的共振频率。DSA815的信号输出用于驱动一个单股线圈，另一个单股线圈在距其7 cm的上部作为接收线圈。设置输出信号强度为1mW，仅为DSA815的输出功率。但由于单线圈阻抗较低，电磁波的实际输出功率很小。扫描范围设置为1MHz~20MHz。

如果置于其中的线圈发生共振，就会影响接收信号的强度变化。

▲用频谱仪测量线圈的谐振频率。

1.测试特斯拉线圈

在两条耦合线中间放置特斯拉线圈，比较加入线圈对接收线圈信号的影响。

▲特斯拉线圈对耦合线圈的影响

下图是加入特斯拉线圈后接收频谱的变化。起诉显示至少有三个共振峰。这说明Tese线圈中存在不同的驻波频率。

▲特斯拉线圈对耦合线圈磁场的影响

2.测量普通的线圈

相比之下，普通线圈放置在光谱仪输入和输出之间的耦合线圈中间。测量它对接收信号频谱的影响。

▲普通线圈对耦合线圈的影响

下图显示了添加线圈前后接收信号频谱的变化。仅示出了一个共振峰。这应该是线圈本身的电感和寄生电容形成的谐振频率。

▲单线圈对耦合线圈的影响

通过以上两个实验的对比可以看出，特斯拉线圈存在唯一的多个谐振频率点，对应不同的谐波模式。而普通线圈只有一个ige共振峰。

04无线电能传送

特斯拉线圈除了做酷炫的电弧放电实验还能做什么？

Charles W. Van Neste[3]在论文中演示了利用特斯拉线圈进行准射电能量传输的实验。

准无线传输意味着在这种方案中，电能的接收和发送之间只有一个接触点。电能通过空之间的电场耦合传输到接收特斯拉线圈。

下图显示，在一个普通的桌面上，你可以在任意一点发送20~50W的功率。只要接收到的特斯拉线圈在金属表面传输电能的范围内。

▲无线电力传输单点接触

这样，可以有效地对多个充电设备进行充电，或者可以在不同的位置对单个充电设备进行充电。

或许有了这个方案，未来智能车模大赛的节能组将会是一个特斯拉线圈驱动的车模，完成各种挑战。

▲鼠标，电子鼠标

最后，还是要感谢gradientZero在我微信官方账号的留言，让我更加了解了特斯拉线圈的魅力。

参考资料

[1]

微特斯拉线圈振荡电路分析:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105957105

[2]

螺线管线圈的自谐振和自电容。:http://g3ynh . info/zdocs/magnetics/appendix/self _ RES/self-RES . pdf

[3]

Charles W. Van Neste，用于在大表面上准无线输送电力的单接触传输:https://www.researchgate.net/publication/ 272382686 _用于在大表面上准无线输送电力的单接触传输

[4]

Voitkans，Janis和Arnis Voitkans，Tesla线圈理论模型及其实验验证

[5]

输电线路:https://baike.baidu.com/item/%E4% BC % A0 % E8 % Be % 93% E7 % Ba % BF/8949441？fr =阿拉丁

[6]

特斯拉线圈的自谐振:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106122200