- How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive[1]
01 特斯拉線圈
你也許看到過特斯拉線圈令人驚訝的放電展示。它究竟如何工作的呢？ 下面聽聽Kathy給我們講講特斯拉線圈每一部分是如何被發明，它的工作原理是什麼。
一、感應電流
故事發生在1826年，一為名叫斯特金的退伍士兵，研究了纏繞在鐵棒周圍的線圈，發現通電之後的鐵棒具有了磁性，可以吸引金屬鐵質物件，這就是大眾熟悉的電磁鐵。
▲ 圖1.1 電磁線圈以及電磁鐵
大約六年之後，在1831年，法拉第打算試試看可否利用磁場產生電流，但他沒有那麼幸運，當時他沒有可用的強磁鐵，所以決定利用電磁鐵來實驗。 他把兩個獨立的線圈纏繞在一個鐵環兩邊。發現在第一個線圈接通電壓或者斷開電壓時，第二個線圈會出現電流脈衝。法拉第使用磁場的概念來解釋這個現象，當線圈內的磁場發生變化，便會在線圈中感應出電流。不過令法拉第感到居喪的是，他從未能夠感受到第二個線圈上的電壓。那個時候人們能夠測量電壓的手段並不多，只有為數不多的幾種辦法。
▲ 圖1.2 法拉第電磁感應線圈
二、升壓變壓器
幾年之後，一位來自愛爾蘭的牧師，業餘科學家，名叫尼古拉斯·卡倫，他對法拉第的裝置進行改進，可以獲得更強的電壓。他把兩個線圈在同一電棒上進行纏繞，之間是由絕緣層分隔開。他驚奇的發現當初級線圈斷開與電池的連接時，可以在次級線圈上感受到強烈的電擊。 當第一個線圈比較薄，也就是線圈匝數比較少，第二個線圈比較厚，對應的的匝數比較多時，可以感受到第二個線圈輸出的電壓又增強了許多。卡倫並不知道他發明了一個升壓變壓器。
▲ 圖1.3 卡倫的升壓變壓器
當原邊連接電池，於是產生了磁場並把鐵芯變成了電磁鐵。當電池斷開後，鐵芯失去了磁性。因此根據法拉第提出嶄新的電磁感應理論，每當電池接入線圈或者斷開時，都會在副邊產生感應電流。當副邊線圈比原邊少的時候，感應的電壓小，但產生的電流大。這也解釋了為什麼法拉第可以測量電電流，但並沒有感受到線圈上的電壓刺激。當副邊的線圈增多是，便可以產生更大的電壓，人們感受的電壓刺激就越強，但輸出的電壓相對變小。
三、高壓脈衝
卡倫還發明了一個齒輪能夠不斷地完成電池進入線圈和斷開，被稱為「重複器」，這樣就可以持續產生感應電壓。他說這是至今為止人們所建造的產生高壓最好的設備。 卡倫把他的實驗結果發送給他的朋友斯特金，斯特金也製作了相同的設備，並對卡倫的方案進行了改進，後來很多人將這個設備當做折磨人的設備進行出售，從而發了財。
▲ 圖1.4 斯特金製作的變壓器
令人不可思議的是，感應線圈居然越來越流行，也被用於醫療方面，放多病症都可以被電擊來治療，包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，頭疼，神經痛，風濕病，耳朵疼，牙疼等。
於是人們開始競相製作可以輸出更大，輸出更加穩定持續的電擊或者火花的設備。其中最重要的一個發明就是設計了一種線圈自動完成通斷的設備，把原來的齒輪和手柄替代。在原邊線圈通電時，也將鐵芯進行磁化，於是吸引彈簧上的銜鐵擺動，並將電流斷開。此時線圈斷電，鐵芯失去磁性。釋放了銜鐵，在彈簧作用下重新聯通線路。這樣便可以形成20到40Hz的通斷，當時被稱為電磁通斷器。
▲ 圖1.5 自動電火花設備
四、諧振迴路
然後，在電流通斷時會在觸電產生大量的火花。到了1853年，一位法國的物理學家，名叫安阿曼德·菲扎，在電磁觸點兩端增加了萊頓瓶，相當於增加了一個電容器。萊頓瓶實際上是在玻璃瓶的內外包裹了金屬膜，也是最早的電容器。萊頓瓶的電容容量取決於金屬膜的面積和玻璃瓶壁的厚度。自從加入了萊頓瓶，菲扎消除了電磁觸點的火花，但同時也創建了一個革新的設備，可以將來自電池的直流電能轉換成交流電。其中的原理是什麼呢？
▲ 圖1.6 萊頓瓶-高壓電容器
電池鏈接萊頓瓶，在內外存儲了相反的電荷，如果使用線圈進行短接，於是萊頓瓶放電產生電流脈衝。然後，如果短接電線連接了線圈，電流脈衝通過線圈時，使得線圈內的磁場發生變化。變化的磁場又會在線圈內感應出新的電流，這是線圈的自感現象。 因此當萊頓瓶在線圈放電時，放電電流會持續，甚至在萊頓瓶中的電荷是放完之後還會持續，這樣就會在萊頓瓶中產生相反的充電電荷。於是萊頓瓶又開始了反方向的放電，如果放電迴路中沒有電阻損耗，放電電流就會來回反覆流動。如果放電迴路中存在電阻損耗，放電電流就會在每次循環中降低，直到系統中電能被完全釋放，沒有電流流動。電容與線圈相連被稱為諧振迴路，現今仍然被應用于振盪電流。
▲ 圖1.7 萊頓瓶與線圈組成的諧振環路
振蕩頻率依賴於諧振迴路中的電容和電感大小。如果你想改變震蕩頻率，可以通過改變線圈大小和電容形狀。利用這種方式，在19世紀50年代，人們可以將電池的直流電轉換成幾兆赫茲的交流脈衝信號，覆蓋無線電波頻率範圍。又過了若干年，科學家引入了微分方程來描述電路的工作機制。 到了1886年，德國科學家海因里奇·赫茲利用感應線圈第一次觀察到了無線電波。然後，赫茲並沒有認識的他的發現的重要性，只是認為證明了電磁波理論的正確性。
▲ 圖1.8 LC 諧振電壓波形
五、特斯拉線圈
現在我們聊聊尼古拉·特斯拉。在1889年夏天特斯拉來到巴黎世界博覽會，聽說了有關電磁波的神奇實驗。於是他自己着手做相應的實驗，製作了感應線圈，但他有進行了新的創新，將原來電磁通斷器去掉，使用一台交流發電機產生交流電驅動初級線圈。這是非常實質的改進，不再依賴於機械裝置來產生交變電流，而直接使用交流發電機來提供交變電源。為此特斯拉還同時發明了交流發電機，三相交流發電機。這些裝置功率很大，使得線圈溫度上升，燒壞了線圈的絕緣層，所以他設計了空心線圈。
▲ 圖1.9 特斯拉與他發明的三相交流發電機
後來他發現初級中的了萊頓瓶時好時壞，於是將萊頓瓶移到高壓次級線圈， 並且對電容容量能夠調整。 通過調整次級電容大小，也可以改變次級的諧振頻率，使其為初級交流頻率的整數倍數。藉助於這種方式，特斯拉產生了高頻高壓電流。利用次級電容，產生了可調諧的高頻電磁波。當時的特斯拉對於無線電報和無線廣播並不感興趣，他對無線電能傳輸照明應用比較痴迷。為此，他增加了意外一個諧振迴路，這個迴路利用單個電線便可以點亮燈泡。他發現對於霓虹燈、熒光燈來說，甚至不需要任何電線連接，只要靠近高壓線圈便能夠發光。後來人們發現在高壓線圈頂部增加巨大的金屬圓環，便可以產生非常漂亮的放電電弧，這也是現如今特斯拉線圈最常見到的展示實驗。
▲ 圖1.10 特斯拉高壓點亮氖泡和熒光燈的專利圖片
下面讓我們了解一下現代特斯拉線圈的工作機制以及它所能夠創造的迷人放電演示。升壓變壓器通過次級線圈的增加來獲得更高的交流電壓。線圈與電容器組成諧振迴路。 特斯拉線圈中，交流電壓首先通過升壓變壓器進行電壓提升，相應的輸出電流減少。這一點與當年卡倫的變壓器作用相同。利用放電間隙對諧振電容進行放電，從而使得諧振迴路產生高頻電壓。這個高頻高壓交流電輸入到另外一個變壓器的原邊，產生更高的交流電壓，在次級能夠產生數百萬伏的高壓交流電，並對金屬圓環體進行充電。由於頂部圓環上的電壓非常高，於是引起空氣電離，產生巨大的放電現象。
▲ 圖1.11 當代特斯拉線圈的電路原理圖
特斯拉被這种放電現象所征服，他甚至設想建立一個巨大的放電塔，將整個地球都充滿電，並點亮大氣層。現實中這並不可行，他甚至遊說，J·P 摩根來支持他。在同一時期，一個意大利的年輕人的想法則比較折中和顯示，他叫古列爾莫·馬可尼，他設想實現跨大西洋發送無線電報，後來他使用特斯拉線圈最終獲得成功。
▲ 圖1.12 Guglielmo Marconi
參考資料
[1]
How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: https://www.youtube.com/watch?v=IN9jb3fzZd0&t=96s
