Explainer: vad är en Tesla coil?
Föreställ dig en tillbakadragen man, droppande av svett hela natten i ett mörkt labb, upplyst endast av sprakande gnistor som periodiskt hoppar från enorma maskiner och kastar en lila glöd över hans ansikte. Detta var Nikola Tesla, den galna forskarens arketyp. Hans uppfinningar fyller världen omkring oss; de är avgörande för vårt moderna elnät. De är tysta, pålitliga, osynliga maskiner.kanske är hans mest kända uppfinning Tesla-spolen-en kontrast som producerar vackra flygande bågar av elektrisk energi. Det uppfanns av Tesla i ett försök att överföra el trådlöst.
transformator i aktion
principerna bakom Tesla-spolen är relativt enkla. Tänk bara på att elektrisk ström är flödet av elektroner, medan skillnaden i elektrisk potential (spänning) mellan två ställen är det som driver den strömmen. Ström är som vatten och spänning är som en kulle. En stor spänning är en brant kulle, ner vilken en ström av elektroner snabbt kan strömma. En liten spänning är som en nästan platt slätt med nästan inget vattenflöde.
kraften i Tesla-spolen ligger i en process som kallas elektromagnetisk induktion. Det är här ett föränderligt magnetfält skapar en spänning som tvingar strömmen att flöda. I sin tur genererar den strömmande elektriska strömmen ett magnetfält. När elektricitet strömmar genom en lindad trådspole genererar den ett magnetfält som fyller området runt spolen i ett visst mönster.
På samma sätt, om ett magnetfält strömmar genom mitten av en lindad tråd, genereras en spänning i tråden, vilket får en elektrisk ström att flöda.
spänningen (”kullen”) som genereras i en trådspole av ett magnetfält genom dess centrum ökar med antalet trådvarv. Ett föränderligt magnetfält inom en spole på 50 varv genererar tio gånger spänningen hos en spole på bara fem varv. (Men mindre ström kan faktiskt strömma genom den högre potentialen för att spara energi.)
det här är exakt hur en vanlig växelström (AC) elektrisk transformator, som finns i varje hem, fungerar. Den ständigt fluktuerande elektriska strömmen som strömmar in från elnätet lindas genom en serie varv runt en järnring för att generera ett magnetfält. Järn är magnetiskt permeabelt, så magnetfältet finns nästan helt i järnet. Ringen styr magnetfältet (i grönt till höger) runt och genom mitten av den motsatta trådspolen.
förhållandet mellan spolar på ena sidan och den andra bestämmer spänningsförändringen. För att gå från 120V hushållsväggspänning till, säg 20V för användning i en bärbar nätadapter, kommer utgångssidan av spolen att ha sex gånger färre varv för att skära spänningen till en sjätte sin ursprungliga nivå.
hur spolen rullar
Tesla spolar gör samma sak, men med en mycket mer dramatisk spänningsförändring. Först använder de en färdig högspänningsjärnkärntransformator för att gå från 120V väggström till ungefär 10 000 V. Tråden med 10 000 volt är insvept i en stor (primär) spole med endast en handfull varv. Den sekundära spolen innehåller tusentals varv av tunn tråd. Detta ökar spänningen till mellan 100 000 och 1 000 000 volt. Denna potential är så stark att järnkärnan i en normal transformator inte kan innehålla den. Istället finns det bara luft mellan spolarna.
Tesla-spolen kräver ytterligare en sak: en kondensator för att lagra laddning och avfyra allt i en stor gnista. Spolens krets innehåller en kondensator och ett litet hål som kallas ett gnistgap. När spolen är påslagen strömmar el genom kretsen och fyller kondensatorn med elektroner, som ett batteri. Denna laddning skapar sin egen elektriska potential i kretsen, som försöker överbrygga gnistgapet. Detta kan bara hända när en stor mängd laddning har byggts upp i kondensatorn.
så småningom har så mycket laddning ackumulerats att det bryter ner luftens elektriska neutralitet i mitten av gnistgapet. Kretsen stängs för en flyktig sekund och en stor mängd ström spränger ut ur kondensatorn och genom spolarna. Detta ger ett mycket starkt magnetfält i primärspolen.
den sekundära trådspolen använder elektromagnetisk induktion för att omvandla detta magnetfält till en elektrisk potential så hög att den lätt kan bryta sönder luftmolekylerna i sina ändar och trycka sina elektroner i vilda bågar och producera enorma lila gnistor. Kupolen på toppen av enheten verkar för att få den sekundära spolen av ledningar att få energi mer fullständigt från den första spolen. Med några noggranna matematiska beräkningar kan mängden överförd elektrisk energi maximeras.
flygande blå streamers av elektroner flyter från spolen och genom den heta luften söker efter en ledande landningsplats. De värmer luften och bryter den in i en plasma av glödande jonfilament innan de släpper ut i luften eller strömmar in i en närliggande ledare.
en enorm ljusshow genereras, liksom ett högt surrande, sprakande ljud som kan användas för att spela musik. De elektriska teatrarna är så fantastiska att Tesla var känd för att använda sin enhet för att skrämma och fascinera besökare till sitt laboratorium.