特斯拉线圈的工作原理是什么样的，特斯拉线圈的工作原理是什么

很多朋友对特斯拉线圈的工作原理是什么样的，特斯拉线圈的工作原理是什么不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

特斯拉线圈是如何工作的？一次历史性的深潜[1]01特斯拉线圈你可能见过特斯拉线圈惊人的放电显示。具体是怎么操作的？让我们听听凯西给我们讲述特斯拉线圈的每一部分是如何被发明出来的，以及它是如何工作的。一、感应电流

这个故事发生在1826年。一位名叫斯特金的退役士兵研究了缠绕在铁棒上的线圈，发现铁棒通电后具有磁性，可以吸引金属和铁质物体。这就是大众熟悉的电磁铁。图1.1电磁线圈和电磁铁

大约六年后，在1831年，法拉第试图看看他是否能利用磁场产生电流。但是他没有这么幸运。当时，他没有强磁体可用，所以他决定使用电磁铁进行实验。他在一个铁环上缠绕了两个独立的线圈。发现当第一线圈接通或断开时，第二线圈中会出现电流脉冲。法拉第用磁场的概念来解释这种现象。当线圈中的磁场变化时，线圈中就会感应出电流。

但让法拉第感到难过的是，他始终无法感受到第二个线圈上的电压。当时人们测量电压的方法并不多，只有几种。

图1.2法拉第电磁感应线圈二、升压变压器

几年后，一位名叫尼古拉斯卡伦(Nicholas Cullen)的爱尔兰牧师兼业余科学家改进了法拉第的装置，以获得更强的电压。他在同一根电棒上缠绕了两个线圈，中间用绝缘层隔开。他惊讶地发现，当初级线圈与电池断开时，次级线圈上可以感觉到强烈的电击。

当第一个线圈越细，也就是线圈的匝数越少，第二个线圈越粗，对应的匝数越多，你就能感觉到第二个线圈输出的电压强很多。凯伦不知道他发明了升压变压器。

图1.3凯伦的升压变压器

当初级侧连接到电池时，会产生磁场，铁芯变成电磁铁。当电池断开时，铁芯失去磁性。因此，根据法拉第全新的电磁感应理论，每当电池接通线圈或断开时，都会在二次侧产生感应电流。当二次绕组小于一次绕组时，感应电压小，但产生的电流大。这也解释了为什么法拉第能测出电流，却感觉不到线圈上的电压刺激。

当二次侧线圈数增加时，可以产生更大的电压，人们感受到的电压刺激更强，但输出电流相对更小。

三、高压脉冲凯伦还发明了一种齿轮，可以连续完成电池进入和断开线圈，被称为“复读机”，这样就可以连续产生感应电压。他说，这是迄今为止人们建造的产生高压的最好的设备。凯伦把自己的实验结果发给了朋友斯特金，斯特金也制作了同样的设备，并改进了凯伦的方案。后来很多人把这种设备当刑具卖，从而发了大财。

图1.4不可思议的是，鲟鱼制造的变压器越来越受欢迎，在医疗上也有应用。许多疾病可以通过电击治疗，包括粘膜炎、花粉热、哮喘、感冒、流感、头痛、神经痛、风湿病、耳痛和牙痛。

于是人们开始竞相制造能够输出更大更稳定的电击或火花的装置。最重要的发明之一是设计了一种可以自动使线圈通断的装置，取代了原来的齿轮和手柄。当初级线圈通电时，铁芯也被磁化，从而吸引弹簧上的衔铁摆动，断开电流。此时线圈断电，铁芯失去磁性。衔铁被释放，电路在弹簧的作用下重新接通。

这样就可以形成20到40Hz的通断，当时称为电磁通断。

图1.5自动电火花加工设备四、谐振电路

然后，在电流通断时会在触电产生大量的火花。到了1853年，一位法国的物理学家，名叫安阿曼德菲扎，在电磁触点两端增加了莱顿瓶，相当于增加了一个电容器。莱顿瓶实际上是在玻璃瓶的内外包裹了金属膜，也是最早的电容器。莱顿瓶的电容容量取决于金属膜的面积和玻璃瓶壁的厚度。

自从加入了莱顿瓶，菲扎消除了电磁触点的火花，但同时也创建了一个革新的设备，可以将来自电池的直流电能转换成交流电。其中的原理是什么呢？

图1.6 莱顿瓶-高压电容器

电池链接莱顿瓶，在内外存储了相反的电荷，如果使用线圈进行短接，于是莱顿瓶放电产生电流脉冲。然后，如果短接电线连接了线圈，电流脉冲通过线圈时，使得线圈内的磁场发生变化。变化的磁场又会在线圈内感应出新的电流，这是线圈的自感现象。

因此当莱顿瓶在线圈放电时，放电电流会持续，甚至在莱顿瓶中的电荷是放完之后还会持续，这样就会在莱顿瓶中产生相反的充电电荷。于是莱顿瓶又开始了反方向的放电，如果放电回路中没有电阻损耗，放电电流就会来回反复流动。如果放电回路中存在电阻损耗，放电电流就会在每次循环中降低，直到系统中电能被完全释放，没有电流流动。

电容与线圈相连被称为谐振回路，现今仍然被应用于振荡电流。

图1.7 莱顿瓶与线圈组成的谐振环路

振荡频率依赖于谐振回路中的电容和电感大小。如果你想改变震荡频率，可以通过改变线圈大小和电容形状。利用这种方式，在19世纪50年代，人们可以将电池的直流电转换成几兆赫兹的交流脉冲信号，覆盖无线电波频率范围。又过了若干年，科学家引入了微分方程来描述电路的工作机制。到了1886年，德国科学家海因里奇赫兹利用感应线圈第一次观察到了无线电波。

然而赫兹并没有认识的他的发现的重要性，只是认为证明了电磁波理论的正确性。

图1.8 LC 谐振电压波形

五、特斯拉线圈

现在我们聊聊尼古拉特斯拉。在1889年夏天特斯拉来到巴黎世界博览会，听说了有关电磁波的神奇实验。于是他自己着手做相应的实验，制作了感应线圈，但他有进行了新的创新，将原来电磁通断器去掉，使用一台交流发电机产生交流电驱动初级线圈。这是非常实质的改进，不再依赖于机械装置来产生交变电流，而直接使用交流发电机来提供交变电源。

为此特斯拉还同时发明了交流发电机，三相交流发电机。这些装置功率很大，使得线圈温度上升，烧坏了线圈的绝缘层，所以他设计了空心线圈。

图1.9 特斯拉与他发明的三相交流发电机

后来他发现初级中的了莱顿瓶时好时坏，于是将莱顿瓶移到高压次级线圈， 并且对电容容量能够调整。 通过调整次级电容大小，也可以改变次级的谐振频率，使其为初级交流频率的整数倍数。借助于这种方式，特斯拉产生了高频高压电流。利用次级电容，产生了可调谐的高频电磁波。

当时的特斯拉对于无线电报和无线广播并不感兴趣，他对无线电能传输照明应用比较痴迷。为此，他增加了意外一个谐振回路，这个回路利用单个电线便可以点亮灯泡。他发现对于霓虹灯、荧光灯来说，甚至不需要任何电线连接，只要靠近高压线圈便能够发光。后来人们发现在高压线圈顶部增加巨大的金属圆环，便可以产生非常漂亮的放电电弧。

这也是现如今特斯拉线圈最常见到的展示实验。

图1.10 特斯拉高压点亮氖泡和荧光灯的专利图片

下面让我们了解一下现代特斯拉线圈的工作机制以及它所能够创造的迷人放电演示。升压变压器通过次级线圈的增加来获得更高的交流电压。线圈与电容器组成谐振回路。特斯拉线圈中，交流电压首先通过升压变压器进行电压提升，相应的输出电流减少。这一点与当年卡伦的变压器作用相同。利用放电间隙对谐振电容进行放电，从而使得谐振回路产生高频电压。

这个高频高压交流电输入到另外一个变压器的原边，产生更高的交流电压，在次级能够产生数百万伏的高压交流电，并对金属圆环体进行充电。由于顶部圆环上的电压非常高，于是引起空气电离，产生巨大的放电现象。

图1.11 当代特斯拉线圈的电路原理图

特斯拉被这种放电现象所征服，他甚至设想建立一个巨大的放电塔，将整个地球都充满电，并点亮大气层。现实中这并不可行，他甚至游说，JP 摩根来支持他。在同一时期，一个意大利的年轻人的想法则比较折中和显示，他叫古列尔莫马可尼，他设想实现跨大西洋发送无线电报，后来他使用特斯拉线圈最终获得成功。

图1.12 Guglielmo Marconi

参考资料

[1]

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: https://www.youtube.com/watch?v=IN9jb3fzZd0t=96s

黄飞

以上知识分享希望能够帮助到大家！