테슬라 코일 : 역사, 작동 원리, 용도 - 물리적 인 - 2026

테슬라 코일 A A 고전압로서 그 기능을 권취 고주파 발생기이다. 그것은 물리학 자 Nikola Tesla (1856-1943)에 의해 발명되었으며 1891 년에 특허를 받았습니다.

자기 유도로 인해 Tesla는 전도체의 개입없이 전기 에너지를 전송할 수있는 가능성에 대해 생각했습니다. 따라서 과학자이자 발명가의 아이디어는 케이블을 사용하지 않고 전기를 전송하는 장치를 만드는 것이 었습니다. 그러나이 기계의 사용은 매우 비효율적이므로이 목적을 위해 곧 폐기되었습니다.

그림 1. Tesla 코일을 사용한 데모. 출처 : Pixabay.

그럼에도 불구하고 Tesla 코일은 철탑이나 물리학 실험과 같은 특정 응용 분야에서 여전히 찾을 수 있습니다.

역사

코일은 Hertz의 실험이 밝혀진 직후 Tesla에 의해 생성되었습니다. 테슬라 자신은 이것을 "전기 에너지를 전달하는 장치"라고 불렀습니다. Tesla는 전선 없이도 전기를 전송할 수 있다는 것을 증명하고 싶었습니다.

콜로라도 스프링스 연구소에서 테슬라는 안테나에 부착 된 거대한 16 미터 코일을 처분했습니다. 이 장치는 에너지 전달 실험을 수행하는 데 사용되었습니다.

테슬라 코일로 실험 해보십시오.

한 번은이 코일로 인해 10km 떨어진 발전소의 발전기가 불에 타는 사고가 발생했습니다. 고장의 결과로 발전기의 권선 주위에 전기 아크가 발생했습니다.

그의 이름으로 알려진 수많은 코일 디자인을 계속 실험 한 테슬라는 낙담하지 않았습니다.

어떻게 작동합니까?

유명한 Tesla 코일은 Nikola Tesla가 전선없이 전기를 전송하기 위해 만든 많은 디자인 중 하나입니다. 원래 버전은 크기가 크고 고전압 및 고전류 소스를 사용했습니다.

당연히 오늘날 우리는 다음 섹션에서 설명하고 설명 할 훨씬 작고 컴팩트하며 수제 디자인이 있습니다.

그림 2. 기본 Tesla 코일의 개략도. 출처 : 자체 제작.

Tesla 코일의 원래 버전을 기반으로 한 설계는 위 그림에 표시된 것과 같습니다. 이전 그림의 전기 다이어그램은 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

소스 (F)

소스는 교류 발전기와 고 이득 변압기로 구성됩니다. 소스 출력은 일반적으로 10,000V에서 30,000V 사이입니다.

첫 번째 LC 1 공진 회로

스파크가 끝 사이에서 점프 할 때 회로를 닫는 "스파크 갭"또는 "폭발"로 알려진 스위치 S로 구성됩니다. LC 회로 (1)는 또한 직렬로 연결된 커패시터 C1 및 코일 L1을 갖는다.

두 번째 공진 회로 LC 2

LC 회로 (2)는 코일 (L1)과 커패시터 (C2)에 대해 약 100 : 1의 권선비를 갖는 코일 (L2)로 구성된다. 커패시터 C2는 접지를 통해 코일 L2에 연결됩니다.

L2 코일은 일반적으로 세라믹, 유리 또는 플라스틱과 같은 비전 도성 재료의 튜브에 절연 에나멜로 감은 와이어입니다. 코일 L1은 그림에서 이와 같이 표시되지 않았지만 코일 L2에 감겨 있습니다.

모든 커패시터와 마찬가지로 커패시터 C2는 두 개의 금속판으로 구성됩니다. Tesla 코일에서 C2 플레이트 중 하나는 일반적으로 구형 또는 토로 이달 돔 모양이며 L2 코일과 직렬로 연결됩니다.

C2의 다른 보드는 근처 환경입니다. 예를 들어 금속 받침대는 구형으로 마감되고 접지에 연결되어 L2의 다른 쪽 끝이 접지에 연결된 회로를 닫습니다.

행동의 메커니즘

Tesla 코일이 켜지면 고전압 소스가 커패시터 C1을 충전합니다. 이것이 충분히 높은 전압에 도달하면 스위치 S (스파크 갭 또는 폭발)에서 스파크 점프를 만들어 공진 회로 I를 닫습니다.

그러면 커패시터 (C1)는 코일 (L1)을 통해 방전되어 가변 자기장을 생성한다. 이 가변 자기장은 코일 L2를 통과하여 코일 L2에 기전력을 유도합니다.

L2는 L1보다 약 100 턴 더 길기 때문에 L2 양단의 전압은 L1 양단의 전압보다 100 배 더 큽니다. 그리고 L1에서는 전압이 10,000 볼트 정도이므로 L2에서는 100 만 볼트가됩니다.

L2에 축적 된 자기 에너지는 커패시터 C2에 전기 에너지로 전달되어 백만 볼트 정도의 최대 전압 값에 도달하면 공기를 이온화하고 스파크를 생성하여 갑자기 접지를 통해 방전됩니다. 방전은 초당 100 ~ 150 회 발생합니다.

LC1 회로는 커패시터 C1에 축적 된 에너지가 코일 L1로 전달되고 그 반대로 전달되기 때문에 공진이라고합니다. 즉, 진동이 발생합니다.

코일 (L2)의 자기 에너지가 전기 에너지로 커패시터 (C2)에 전달되고 그 반대로 전달되는 공진 회로 (LC2)에서도 마찬가지입니다. 즉, 회로에서 왕복 전류가 번갈아 생성됩니다.

LC 회로의 고유 진동 주파수는 다음과 같습니다.

공명과 상호 유도

LC 회로에 공급되는 에너지가 회로의 고유 진동 주파수와 동일한 주파수에서 발생하면 에너지 전달이 최적이며 회로 전류에서 최대 증폭을 생성합니다. 모든 진동 시스템에 공통적 인이 현상을 공명이라고합니다.

LC1 및 LC2 회로는 자기 적으로 결합되어 상호 유도라고하는 또 다른 현상입니다.

LC1 회로에서 LC2로 또는 그 반대로 에너지가 최적으로 전달 되려면 두 회로의 고유 진동 주파수가 일치해야하며 고전압 소스의 주파수와도 일치해야합니다.

이것은 발진 주파수가 소스 주파수와 일치하도록 두 회로에서 커패시턴스 및 인덕턴스 값을 조정하여 달성됩니다.

이 경우 소스의 전력이 LC1 회로로, LC1에서 LC2로 효율적으로 전송됩니다. 진동의 각주기에서 각 회로에 축적 된 전기 및 자기 에너지가 증가합니다.

C2 양단의 전압이 충분히 높으면 C2를 접지로 방전하여 번개의 형태로 에너지가 방출됩니다.

테슬라 코일 사용

이러한 코일을 사용한 실험에서 Tesla의 독창적 인 아이디어는 항상 배선없이 장거리 전기 에너지를 전송하는 방법을 찾는 것이 었습니다.

그러나이 방법은 환경을 통한 분산에 의한 에너지 손실로 인해 효율이 낮기 때문에 전력 에너지를 전달하기위한 다른 수단을 모색해야했습니다. 오늘날 배선은 여전히 ​​사용됩니다.

테슬라의 실험 개발에 도움이 된 플라즈마 램프.

그러나 Nikola Tesla의 독창적 인 아이디어 중 상당수는 오늘날의 유선 전송 시스템에 여전히 존재합니다. 예를 들어, 손실이 적은 케이블을 통한 전송을위한 전기 변전소의 승압 변압기와 가정에서의 배전을위한 강압 변압기가 Tesla에 의해 고안되었습니다.

대규모로 사용되지는 않지만 Tesla 코일은 고전압 전기 산업에서 안전하게 작동해야하는 절연 시스템, 타워 및 기타 전기 장치를 테스트하는 데 계속 유용합니다. 그들은 또한 번개와 스파크를 생성하기 위해 다양한 쇼와 일부 물리학 실험에서 사용됩니다.

대형 Tesla 코일을 사용한 고전압 실험에서는 안전 조치를 취하는 것이 중요합니다. 예를 들어 관찰자를 보호하기 위해 패러데이 케이지를 사용하고 이러한 릴로 쇼에 참여하는 공연자를위한 금속 메쉬 슈트를 사용하는 것입니다.

수제 테슬라 코일을 만드는 방법?

구성품

이 소형 버전의 Tesla 코일에는 고전압 AC 소스가 사용되지 않습니다. 반대로 전원은 그림 3의 다이어그램과 같이 9V 배터리입니다.

그림 3. 미니 테슬라 코일을 만들기위한 회로도. 출처 : 자체 제작.

원래 Tesla 버전과 다른 차이점은 트랜지스터를 사용한다는 것입니다. 우리의 경우에는 낮은 신호 NPN 트랜지스터이지만 빠른 응답 또는 높은 주파수를 가진 2222A가 될 것입니다.

이 회로는 또한 스위치 S, 3 회전 1 차 코일 L1 및 최소 275 회전의 2 차 코일 L2를 갖지만 300 ~ 400 회전 사이 일 수도 있습니다.

1 차 코일은 플라스틱 절연이있는 일반 와이어로 만들 수 있지만 2 차 코일에는 일반적으로 권선에 사용되는 절연 바니시로 덮인 얇은 와이어가 필요합니다. 와인딩은 직경이 3 ~ 4cm 인 판지 또는 플라스틱 튜브에서 수행 할 수 있습니다.

트랜지스터 사용

Nikola Tesla 시대에는 트랜지스터가 없었 음을 기억해야합니다. 이 경우 트랜지스터는 원래 버전의 "스파크 갭"또는 "폭발 자"를 대체합니다. 트랜지스터는 전류의 통과를 허용하거나 허용하지 않는 게이트로 사용됩니다. 이를 위해 트랜지스터는 다음과 같이 분극화됩니다. 콜렉터 c는 양극 단자에, 에미 터 e는 배터리의 음극 단자에 연결됩니다.

베이스 b에 양의 분극이 있으면 컬렉터에서 이미 터로 전류가 흐르도록 허용하고 그렇지 않으면이를 방지합니다.

우리의 계획에서베이스는 배터리의 양극에 연결되지만 트랜지스터를 태울 수있는 초과 전류를 제한하기 위해 22 킬로 옴 저항이 삽입됩니다.

회로는 또한 빨간색 일 수있는 LED 다이오드를 표시합니다. 그 기능은 나중에 설명합니다.

2 차 코일 L2의 자유 단부에 작은 금속 볼이 놓여 있는데, 이는 알루미늄 호일로 폴리스티렌 볼이나 핀퐁 볼을 덮어서 만들 수 있습니다.

이 구는 커패시터 C의 판이고 다른 판은 환경입니다. 이것은 기생 용량으로 알려진 것입니다.

미니 테슬라 코일의 작동 원리

스위치 S가 닫히면 트랜지스터의베이스가 양의 바이어스가되고 1 차 코일의 상단도 양의 바이어스가됩니다. 따라서 전류가 갑자기 1 차 코일을 통과하고 컬렉터를 통해 계속되고 이미 터를 떠나 배터리로 돌아 오는 전류가 나타납니다.

이 전류는 매우 짧은 시간에 0에서 최대 값까지 증가하기 때문에 2 차 코일에 기전력을 유도합니다. 이것은 L2 코일의 바닥에서 트랜지스터의 바닥으로 흐르는 전류를 생성합니다. 이 전류는베이스의 양극화를 갑자기 중단하여 전류가 1 차측을 통해 흐르지 않도록합니다.

일부 버전에서는 LED 다이오드가 제거되고 회로가 작동합니다. 그러나이를 배치하면 트랜지스터베이스 바이어스를 절단하는 효율이 향상됩니다.

전류가 순환하면 어떻게됩니까?

1 차 회로에서 급속한 전류 성장의주기 동안 2 차 코일에서 기전력이 유도되었습니다. 1 차와 2 차 사이의 권선비가 3 ~ 275이기 때문에 코일 L2의 자유 단은 접지에 대해 825V의 전압을가집니다.

이로 인해 구형 C에 접근하는 네온관 또는 형광등에서 저압으로 가스를 이온화하고 튜브 내부의 자유 전자를 가속 할 수있는 커패시터 C의 구형에 강한 전기장이 생성됩니다. 빛을 방출하는 원자를 자극하는 것입니다.

전류가 코일 L1과 C를 둘러싼 공기를 통해 접지로 방출 된 코일 L2를 통해 갑자기 중단됨에 따라 사이클이 다시 시작됩니다.

이 유형의 회로에서 중요한 점은 모든 것이 매우 짧은 시간에 일어나므로 고주파 발진기가 있다는 것입니다. 이러한 유형의 회로에서 트랜지스터에 의해 생성되는 플러터 또는 빠른 발진은 이전 섹션에서 설명하고 원래 버전의 테슬라 코일을 참조하는 공진 현상보다 더 중요합니다.

미니 테슬라 코일로 제안 된 실험

Tesla 미니 코일이 만들어지면 실험이 가능합니다. 분명히 원래 버전의 광선과 스파크는 생성되지 않습니다.

그러나 형광등이나 네온관의 도움으로 우리는 코일 끝에있는 커패시터에서 생성 된 강렬한 전기장과 그 장의 고주파 발진의 결합 효과가 어떻게 램프를 만드는지 관찰 할 수 있습니다. 콘덴서 구체에 접근하면 불이 들어옵니다.

강한 전기장은 튜브 내의 저압 가스를 이온화하여 가스 내에 자유 전자를 남깁니다. 따라서 회로의 고주파는 형광 관 내부의 자유 전자를 가속화하고 튜브의 내부 벽에 부착 된 형광 분말을 여기시켜 빛을 방출하게합니다.

발광 LED를 구체 C에 더 가깝게 가져와 LED 핀이 연결되지 않은 경우에도 어떻게 켜지는지 관찰 할 수 있습니다.

참고 문헌

1. Blake, T. Tesla 코일 이론. 출처 : tb3.com.
2. Burnett, R. Tesla 코일의 작동. 출처 : richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. 물리학 : 개념 및 응용. 7 판. 맥그로 힐. 626-628.
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5. Wikiwand. 테슬라 코일. 출처 : wikiwand.com.