CUỘN DÂY TESLA: LỊCH SỬ, CÁCH NÓ HOẠT ĐỘNG, NÓ DÙNG ĐỂ LÀM GÌ - VẬT LÝ - 2026

Các cuộn dây Tesla là một quanh co rằng có chức năng như một điện áp cao, tần số cao phát điện. Nó được phát minh bởi nhà vật lý Nikola Tesla (1856 - 1943), người đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1891.

Cảm ứng từ khiến Tesla nghĩ đến khả năng truyền năng lượng điện mà không cần đến sự can thiệp của dây dẫn. Vì vậy, ý tưởng của nhà khoa học và nhà phát minh là tạo ra một thiết bị dùng để truyền điện mà không cần sử dụng dây cáp. Tuy nhiên, việc sử dụng chiếc máy này rất kém hiệu quả, vì vậy nó đã bị bỏ rơi không lâu vì mục đích này.

Hình 1. Biểu diễn với cuộn Tesla. Nguồn: Pixabay.

Mặc dù vậy, cuộn dây Tesla vẫn có thể được tìm thấy với một số ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như trong giá treo hoặc trong các thí nghiệm vật lý.

Lịch sử

Cuộn dây được Tesla tạo ra ngay sau khi thí nghiệm của Hertz được đưa ra ánh sáng. Bản thân Tesla đã gọi nó là "bộ máy truyền năng lượng điện." Tesla muốn chứng minh rằng điện có thể được truyền mà không cần dây dẫn.

Trong phòng thí nghiệm Colorado Springs của mình, Tesla đã sử dụng một cuộn dây khổng lồ dài 16 mét gắn vào một ăng-ten. Thiết bị được sử dụng để tiến hành các thí nghiệm truyền năng lượng.

Thử nghiệm với cuộn Tesla.

Trong một lần, có một tai nạn do cuộn dây này gây ra, trong đó máy phát điện từ một nhà máy điện cách đó 10 km bị cháy. Kết quả của sự cố, các vòng cung điện được tạo ra xung quanh cuộn dây của máy phát điện.

Không điều gì trong số đó làm nản lòng Tesla, người tiếp tục thử nghiệm với nhiều thiết kế cuộn dây, hiện được biết đến với tên của ông.

Làm thế nào nó hoạt động?

Cuộn dây Tesla nổi tiếng là một trong nhiều thiết kế mà Nikola Tesla đã thực hiện để truyền điện mà không cần dây dẫn. Các phiên bản ban đầu có kích thước lớn và sử dụng nguồn điện áp cao và dòng điện cao.

Đương nhiên ngày nay có rất nhiều thiết kế nhỏ hơn, nhỏ gọn và tự chế mà chúng tôi sẽ mô tả và giải thích trong phần tiếp theo.

Hình 2. Sơ đồ cuộn Tesla cơ bản. Nguồn: tự làm.

Một thiết kế dựa trên các phiên bản ban đầu của cuộn dây Tesla là thiết kế trong hình trên. Sơ đồ điện trong hình trước có thể được chia thành ba phần.

Nguồn (F)

Nguồn gồm một máy phát điện xoay chiều và một máy biến áp tăng ích. Đầu ra nguồn thường từ 10.000 V đến 30.000 V.

Mạch cộng hưởng LC 1 đầu tiên

Nó bao gồm một công tắc S được gọi là "Spark Gap" hoặc "Explosor", đóng mạch khi tia lửa nhảy giữa các đầu của nó. Đoạn mạch LC 1 cũng có tụ điện C1 và cuộn dây L1 mắc nối tiếp.

Mạch cộng hưởng thứ hai LC 2

Đoạn mạch LC 2 gồm cuộn dây L2 có tỉ số vòng so với cuộn L1 và tụ điện C2 xấp xỉ 100. Tụ C2 nối với cuộn L2 qua đất.

Cuộn dây L2 thường là dây quấn có tráng men cách điện trên ống làm bằng vật liệu không dẫn điện như gốm, thủy tinh hoặc nhựa. Cuộn dây L1, mặc dù không được hiển thị như thế này trong sơ đồ, được quấn trên cuộn dây L2.

Tụ điện C2, giống như tất cả các tụ điện, bao gồm hai bản kim loại. Trong cuộn Tesla, một trong các tấm C2 thường có dạng hình cầu hoặc vòm hình xuyến và được mắc nối tiếp với cuộn L2.

Bo mạch khác của C2 là môi trường gần đó, ví dụ một bệ kim loại hoàn thiện trong một hình cầu và được nối với đất để đóng mạch với đầu kia của L2, cũng được nối với đất.

Cơ chế hoạt động

Khi bật cuộn dây Tesla, nguồn cao áp nạp điện cho tụ C1. Khi điều này đạt đến một điện áp đủ cao, nó tạo ra tia lửa điện trong công tắc S (khe hở tia lửa hoặc đầu nổ), đóng mạch cộng hưởng I.

Khi đó tụ C1 phóng điện qua cuộn dây L1 tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên này cũng đi qua cuộn dây L2 và gây ra suất điện động trên cuộn dây L2.

Vì L2 dài hơn L1 khoảng 100 vòng nên hiệu điện thế trên L2 lớn hơn L1 100 lần. Và vì ở L1 điện áp có thứ tự là 10.000 vôn, thì ở L2 nó sẽ là 1 triệu vôn.

Năng lượng từ trường tích lũy trong L2 được chuyển dưới dạng năng lượng điện tới tụ điện C2, khi nó đạt đến giá trị điện áp cực đại theo bậc một triệu vôn sẽ làm ion hóa không khí, tạo ra tia lửa và phóng điện đột ngột qua mặt đất. Xả xảy ra từ 100 đến 150 lần mỗi giây.

Mạch LC1 được gọi là mạch cộng hưởng vì năng lượng tích lũy trong tụ C1 truyền cho cuộn L1 và ngược lại; nghĩa là, một dao động xảy ra.

Điều tương tự cũng xảy ra trong mạch cộng hưởng LC2, trong đó năng lượng từ trường của cuộn dây L2 được chuyển thành năng lượng điện cho tụ điện C2 và ngược lại. Điều đó có nghĩa là trong mạch một dòng điện xoay chiều được tạo ra luân phiên.

Tần số dao động riêng trong mạch LC là

Cộng hưởng và cảm ứng lẫn nhau

Khi năng lượng cung cấp cho mạch LC xảy ra cùng tần số với tần số dao động riêng của mạch thì năng lượng truyền là tối ưu, tạo ra dòng điện trong mạch có độ khuếch đại cực đại. Hiện tượng này phổ biến cho tất cả các hệ dao động được gọi là cộng hưởng.

Mạch LC1 và LC2 được ghép từ, một hiện tượng khác được gọi là cảm ứng lẫn nhau.

Để năng lượng truyền từ mạch LC1 sang LC2 và ngược lại là tối ưu thì tần số dao động riêng của hai mạch phải trùng nhau và chúng cũng phải trùng với tần số của nguồn cao áp.

Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh các giá trị điện dung và độ tự cảm trong cả hai mạch sao cho tần số dao động trùng với tần số nguồn:

Khi điều này xảy ra, công suất từ ​​nguồn được chuyển một cách hiệu quả đến mạch LC1 và từ LC1 sang LC2. Trong mỗi chu kì dao động, năng lượng điện và từ trường tích lũy trong mỗi mạch đều tăng.

Khi điện áp trên C2 đủ cao, thì năng lượng được giải phóng dưới dạng sét bằng cách phóng C2 xuống đất.

Cuộn Tesla sử dụng

Ý tưởng ban đầu của Tesla trong các thí nghiệm của ông với những cuộn dây này là luôn tìm cách truyền năng lượng điện qua một khoảng cách xa mà không cần nối dây.

Tuy nhiên, hiệu quả thấp của phương pháp này do thất thoát năng lượng do phân tán ra môi trường nên cần phải tìm kiếm các phương tiện khác để truyền năng lượng điện. Ngày nay hệ thống dây điện vẫn được sử dụng.

Đèn plasma, đã giúp phát triển thí nghiệm của Tesla.

Tuy nhiên, nhiều ý tưởng ban đầu của Nikola Tesla vẫn hiện diện trong các hệ thống truyền động có dây ngày nay. Ví dụ, máy biến áp bậc thang trong các trạm biến áp điện để truyền tải qua cáp với ít tổn thất hơn và máy biến áp bậc thang để phân phối tại nhà, được Tesla phát minh ra.

Mặc dù không được sử dụng ở quy mô lớn, cuộn Tesla vẫn tiếp tục hữu ích trong ngành công nghiệp điện cao áp để thử nghiệm các hệ thống cách điện, tháp và các thiết bị điện khác phải hoạt động an toàn. Chúng cũng được sử dụng trong các chương trình khác nhau để tạo ra sét và tia lửa, cũng như trong một số thí nghiệm vật lý.

Điều quan trọng là phải thực hiện các biện pháp an toàn trong các thí nghiệm điện áp cao với cuộn dây Tesla lớn. Một ví dụ là việc sử dụng lồng Faraday để bảo vệ người quan sát và bộ quần áo lưới kim loại cho những người biểu diễn tham gia các buổi biểu diễn với các cuộn này.

Làm thế nào để tạo một cuộn Tesla tự chế?

Các thành phần

Không có nguồn AC điện áp cao nào được sử dụng trong phiên bản thu nhỏ này của cuộn Tesla. Ngược lại, nguồn điện sẽ là pin 9 V, như trong sơ đồ ở hình 3.

Hình 3. Sơ đồ chế tạo cuộn dây Tesla mini. Nguồn: tự làm.

Điểm khác biệt khác so với phiên bản Tesla ban đầu là sử dụng bóng bán dẫn. Trong trường hợp của chúng tôi, nó sẽ là 2222A, là một bóng bán dẫn NPN tín hiệu thấp nhưng có phản ứng nhanh hoặc tần số cao.

Mạch cũng có một công tắc S, cuộn sơ cấp 3 vòng L1 và cuộn thứ cấp L2 tối thiểu 275 vòng, nhưng cũng có thể từ 300 đến 400 vòng.

Cuộn sơ cấp có thể được chế tạo bằng dây thông thường có lớp cách điện bằng nhựa, nhưng cuộn thứ cấp yêu cầu một dây mỏng được phủ vecni cách điện, đây là loại thường được sử dụng trong các cuộn dây. Việc quấn dây có thể được thực hiện trên bìa cứng hoặc ống nhựa có đường kính từ 3 đến 4 cm.

Sử dụng bóng bán dẫn

Cần nhớ rằng vào thời Nikola Tesla không có bóng bán dẫn. Trong trường hợp này bóng bán dẫn thay thế "khoảng cách tia lửa" hoặc "tiếng nổ" của phiên bản gốc. Các bóng bán dẫn sẽ được sử dụng như một cổng cho phép hoặc không cho phép dòng điện đi qua. Đối với điều này, bóng bán dẫn được phân cực như sau: cực thu c đến cực dương và cực phát e với cực âm của pin.

Khi cơ sở b có phân cực dương, thì nó cho phép dòng điện đi qua từ bộ thu đến bộ phát, và nếu không thì nó ngăn cản nó.

Trong sơ đồ của chúng tôi, đế được kết nối với cực dương của pin, nhưng một điện trở 22 kilo ohm được lắp vào, để hạn chế dòng điện dư thừa có thể làm cháy bóng bán dẫn.

Mạch cũng hiển thị một diode LED có thể có màu đỏ. Chức năng của nó sẽ được giải thích sau.

Ở đầu tự do của cuộn thứ cấp L2 có đặt một quả cầu kim loại nhỏ, có thể được chế tạo bằng cách phủ một quả bóng polystyren hoặc một quả bóng pong bằng lá nhôm.

Quả cầu này là bản tụ C, bản kia là môi trường. Đây là những gì được gọi là khả năng ký sinh.

Cách thức hoạt động của cuộn dây Mini Tesla

Khi đóng công tắc S, cực của tranzito được phân cực dương và đầu trên của cuộn sơ cấp cũng được phân cực dương. Vì vậy, một dòng điện đột ngột xuất hiện đi qua cuộn sơ cấp, tiếp tục đi qua bộ thu, rời khỏi bộ phát và quay trở lại pin.

Dòng điện này tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong một thời gian rất ngắn, đó là lý do tại sao nó gây ra suất điện động trong cuộn thứ cấp. Điều này tạo ra một dòng điện đi từ dưới cùng của cuộn dây L2 đến đế của bóng bán dẫn. Dòng điện này đột ngột chấm dứt sự phân cực dương của đế để dòng điện chạy qua sơ cấp dừng lại.

Trong một số phiên bản, diode LED được loại bỏ và mạch hoạt động. Tuy nhiên, việc đặt nó cải thiện hiệu quả trong việc cắt giảm sai lệch cơ sở bóng bán dẫn.

Điều gì xảy ra khi dòng điện tuần hoàn?

Trong chu kỳ dòng điện tăng nhanh trong mạch sơ cấp xuất hiện một suất điện động ở cuộn thứ cấp. Vì tỉ số số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp là 3 đến 275 nên đầu tự do của cuộn dây L2 có hiệu điện thế so với đất là 825 V.

Do trên, trong quả cầu của tụ điện C sinh ra một điện trường cường độ có khả năng ion hóa chất khí ở áp suất thấp trong ống nêon hoặc đèn huỳnh quang đến gần quả cầu C và làm tăng tốc các êlectron tự do bên trong ống. để kích thích các nguyên tử tạo ra phát xạ ánh sáng.

Khi dòng điện đột ngột ngừng qua cuộn L1 và cuộn L2 phóng qua không khí xung quanh C về phía mặt đất, chu trình được bắt đầu lại.

Điểm quan trọng trong loại mạch này là mọi thứ xảy ra trong thời gian rất ngắn, để bạn có một bộ dao động tần số cao. Trong loại mạch này, hiện tượng rung hoặc dao động nhanh do bóng bán dẫn tạo ra quan trọng hơn hiện tượng cộng hưởng được mô tả trong phần trước và đề cập đến phiên bản gốc của cuộn Tesla.

Các thí nghiệm được đề xuất với cuộn dây Tesla mini

Khi cuộn dây mini Tesla được chế tạo, bạn có thể thử nghiệm với nó. Rõ ràng, tia chớp và tia lửa của các phiên bản gốc sẽ không được tạo ra.

Tuy nhiên, với sự trợ giúp của bóng đèn huỳnh quang hoặc bóng đèn neon, chúng ta có thể quan sát tác dụng tổng hợp của điện trường cường độ cao tạo ra trong tụ điện ở cuối cuộn dây và tần số dao động lớn của trường đó, làm cho đèn. sáng lên khi vừa đến gần khối cầu tụ.

Điện trường mạnh làm ion hóa chất khí áp suất thấp trong ống, để lại các điện tử tự do trong chất khí. Do đó, tần số cao của mạch làm cho các electron tự do trong ống huỳnh quang tăng tốc và kích thích bột huỳnh quang bám vào thành trong của ống, khiến nó phát ra ánh sáng.

Bạn cũng có thể đưa một đèn LED phát sáng đến gần quả cầu C, quan sát xem nó sáng như thế nào ngay cả khi chưa kết nối các chân đèn LED.

Người giới thiệu

1. Lý thuyết cuộn dây của Blake, T. Tesla. Được khôi phục từ: tb3.com.
2. Burnett, R. Hoạt động của cuộn Tesla. Được khôi phục từ: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. Phiên bản thứ 7. Đồi MacGraw. 626-628.
4. Đại học Wisconsin-Madison. Cuộn dây Tesla. Được khôi phục từ: wonder.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Cuộn dây Tesla. Được khôi phục từ: wikiwand.com.