特斯拉线圈尖端放电演示仪的设计与制作

吕艳梅　徐爽

摘要：本文设计了一套特斯拉线圈尖端放电演示仪，接通电源后通过串联谐振和自激谐振产生的高频电压，达到击穿空气的效果，可以释放火花一样的电弧。产生的高温高压等离子能点火、无线输电，隔空点亮LED、节能灯等。可以通过音频线连接电脑、MP3、手机的音频，让电弧唱歌、播放音乐，同时观看旋转的小电弧。该演示仪具有体积小、功率低，安全、可靠性高等特点。

关键词：特斯拉线圈;尖端放电;演示仪

特斯拉线圈是一种基于共振原理运行的变压器，由塞尔维亚籍科学家尼古拉·特斯拉在1891年发明，它可以产生上百万伏的高压电，能直接将空气中的气体电离，形成等离子体，并迸发出耀眼的电弧。特斯拉线圈包括固态特斯拉线圈、火花间隙特斯拉线圈、双谐振特斯拉线圈等。其中固态特斯拉线圈，在传统特斯拉线圈的基础上，人们用半导体原件代替了传统打火器，这就形成了具有效率高、噪音小、寿命长等优点。而且由于其本身的结构特点，它可以通过电路输入音频，使电弧直接推动空气发声。

1设计制作

特斯拉线圈构成主要包括初级线圈、次级线圈、驱动电路、放电顶端、三极管、电容等部件。它由一个双调谐耦合回路构成，它的一次回路由谐振电容和一次绕组构成了串联谐振回路，因为串联谐振是电压谐振，可以获得高压大电流和巨大的激磁功率，二次回路可以感应到更高的等效激励电压，谐振升压后输出更高的电压，产生更加壮观的电弧。电路原理图如图1所示。供电输入电压：24V DC;供电电源电流：2A-3A;次级线圈尺寸：直径4CM，高度10CM，线圈圈数370圈，线圈线径0.2的漆包线。设备增加了风扇来提高散热效率，特斯拉线圈尖端放电演示仪实物图如图2所示。该演示仪可以演示尖端放电现象、音乐电弧、荧光灯隔空点亮以及无线传电等现象。

2实验现象

特斯拉线圈工作时，初级线圈与次级线圈产生谐振，在次级线圈中形成超高压以及强电场。次级线圈顶部加装尖端，强电场作用下便产生尖端放电现象，如图3所示。极高的电压会击穿空气，产生紫色的电弧，也就是离子风，产生的电弧会有一定的推力，在推力的作用下就会摆动起来，随着摆动的力度增强，就旋转起来，如图4所示。将荧光灯管靠近工作中的特斯拉线圈，可以看到灯管被点亮，这是由于次级线圈的超强电场，使得灯管内氩气及水银蒸气被强电场直接电离，从而使灯管在不接电源的情况下，实现隔空点亮，如图5所示。还可以通过音频线连接MP3、电脑、手机的音频，让电弧唱歌播放音乐。

特斯拉线圈虽然电压很高，但由于电流极小，而且是高频放电，达不到给人造成伤害的强度。使用时请注意，通电的时候先接通220V转24V的开关电源，延时1-2秒后，等电源电压稳定后再打开特斯拉的电源开关。这是因为开关电源的一般都有缓啟动功能，即刚开机后输出电压是缓慢上升的，而如果在电压上升到15V之前就接通特斯拉，会因为启动电压不够而不起振，导致三极管对地导通从而烧毁元件。

3结束语

特斯拉线圈用途比较广泛，可以利用特斯拉线圈对电动汽车研发;也可用于手机无线充电;还可以用于艺术、游戏和电能的无线传输方面，如利用特斯拉线圈制造尖端放电和旋转电弧。

设计并制作了一套安全、简易的特斯拉线圈尖端放电演示仪，演示仪展示出一系列有趣的实验现象体现出了丰富的物理知识，演示现象有助于学生对谐振电路、电场、电势、等离子体、振动发声等物理概念和原理的理解。该演示仪可以作为科普趣味教学演示仪器，有助于学生理解、运用实验现象背后的相关物理知识，调动学生的学习积极性，培养学生的创新精神和实践能力。

参考文献：

[1]吴庆州，王涛.微型固态特斯拉线圈尖端放电演示仪[J].物理实验，2017，37（12）：35-37.

[2]龚军龙，卢荣德.特斯拉线圈演示仪的制作与应用[J].大学物理，2019，38（1）：58-61.

[3]陈希华，郑峻峰，胡磊.新型火花间隙特斯拉线圈的制作与仿真[J].湖南电力，2017，37（2）：50-54.

[4]贺盼盼，沈宏君.简易特斯拉线圈在中学物理教学中的应用[J].中国教育技术装备，2019，（13）：124-125.

[5]刘婷，苏波，徐晨，等.双谐振固态特斯拉线圈的制作[J].电子技术与软件工程，2019，（20）：219-220.