微型固态特斯拉线圈尖端放电演示仪

吴庆州，王 涛

(南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210023)

微型固态特斯拉线圈尖端放电演示仪

吴庆州，王 涛

(南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210023)

微型固态特斯拉线圈尖端放电演示仪以RLC串联谐振为基本原理实现高压放电. 振荡信号由555输出，以Mosfet驱动芯片TC4420构建驱动电路，功率电路采用MOS管IRFP460，音频采用电源调制方式. 该仪器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现象. 演示实验装置采用模块化设计，体积小、功率低，既达到了演示效果，又保障了演示实验的安全性.

RLC串联谐振；特斯拉线圈；尖端放电

特斯拉线圈是由塞尔维亚裔美籍发明家、物理学家Nikola Tesla发明，学名“分布参量高频串联谐振变压器”. 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. 实验发现用音频信号调制，能形成音乐电弧，产生震耳的真正的“电音”.

随着现代电子技术的快速发展，特斯拉爱好者们做出了各式各样的特斯拉线圈，有的体型庞大，可以产生如闪电状般大面积的电弧，尤为美丽壮观. 然而这样的视觉冲击一般只有在科技馆等少有的场合下才能体验到. 因此笔者设计制作了微型特斯拉线圈演示仪，使学生在感受音乐电弧之魅力、无电源供电白炽灯被点亮之神奇的同时，激起学生的兴趣，有助于学生对实验现象背后的相关物理知识的理解、运用，促进学生在知识的海洋中，不断地追求与探索.

1 实验原理

一般工科院校大学物理电磁学部分都会讲到RLC串联谐振电路. 本文设计的演示仪即是基于此原理设计而成的. 电路谐振时，容抗XC与感抗XL相等，即串联谐振的条件为

(1)

而

(2)

其中，f0为谐振频率. 可以看出，谐振频率取决于电路中的电容和电感. 当电路发生谐振时，如图1所示，当输入的电压Ui的相位与电流I的相位相同时，可以推算出电路阻抗为

(3)

此时表现为纯电阻特性[1]，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值. 电阻两端电压等于Ui，电感和电容的电压相等，其大小为Ui的Q倍(Q为串联谐振电路的品质因数，一般可达100左右). 在电子技术中，常常可以利用串联谐振来获得与信号电压频率相同但大很多倍的电压. 特斯拉线圈能实现超高压正是基于该原理，RC串联谐振也常应用于逆变器、感应加热等方面[2-3].

图1 RLC串联谐振电路

特斯拉本人制作的线圈，又名火花间隙特斯拉线圈(Spark gap Tesla coil，SGTC)，其基本结构如图2所示[4].
图2中左半部分为初级线圈，主要由线圈、主电容和打火器构成，激励电源对主电容充电，电容两端电压升高，当达到一定值时能够击穿打火器的间隙，和初级线圈构成回路，能量在电容和初级线圈之间振荡，这样在线圈的初级形成高频交流电. 次级线圈作为电感，放电顶端和大地之间等效为电容，在初级线圈的高频振荡激励下，形成LC振荡. 当初级LC振荡频率和次级的谐振频率一致时，次级线圈发生谐振，初级回路的能量涌到次级回路,电压峰值不断增加，直到放电[5].

图2 SGTC原理图

随着现代电子技术的发展，出现了固态特斯拉线圈(Solid state Tesla coil，SSTC)[6]，SSTC与SGTC的主要区别在于发射端的不同，SSTC通过集成芯片的振荡实现高频交流电，并通过功率放大电路放大后驱动次级线圈，而SGTC是直接利用初级LC振荡实现的高频交流电激励次级线圈. 相比SGTC，SSTC具有低噪音、高效率、寿命长的特点.

2 演示实验装置

图3 SSTC工作流程图

基于SSTC设计思想制作演示仪，工作流程如图3所示. 振荡信号由555输出，以Mosfet驱动芯片TC4420构建驱动电路，功率电路采用MOS管IRFP460，音频采用电源调制方式.

实验装置包括主机和3个功能演示模块.
图4为主机实物图，即特斯拉线圈，仪器上部为初级线圈、次级线圈及放电尖端. 内部为电源及控制电路、驱动电路.

图4 主机实物图

图5为3个演示功能模块，其中音频电路板集成蓝牙、TF卡、FM收音，可实现不同形式的音频输入播放.

图5 功能演示模块

3 现象演示

3.1 尖端放电现象演示

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，放电过程中将尖端附近的空气分子电离，形成等离子体. 如果用音频信号通过调制电路对电弧进行调制，尖端电弧则根据音频信号进行灭弧，周边的等离子体随着电弧的大小而改变(图6)，使得周边的空气跟随等离子体有节奏地振动，从而产生有节奏的音乐，此即等离子体扬声器的工作原理[7]. 该演示现象有助于学生对尖端放电、等离子体、振动发声等物理概念和原理的理解.

图6 音频调制后尖端放电现象

3.2 点亮荧光灯管的演示

正常荧光灯发光需要接市电，在镇流器的高压下，灯丝受热发射电子撞击管内气体，使管内气体电离，水银蒸气电离发出紫外线，激发管壁荧光粉发出可见光[8]. 如图7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. 实验时发现灯管与特斯拉线圈的位置不变，用手接触灯座，荧光灯明显变亮，这里考虑到人作为导体，与大地接触，使得灯管电势差大，灯光更明亮. 该演示现象有助于学生对电学中电场、电势差的理解.

图7 点亮荧光灯演示

3.3 无线传电演示

如图8所示，以电容和电感构成的无线输电模块，在靠近特斯拉线圈时，可以看到模块上LED灯被点亮，和荧光灯在强电场下被点亮的原理不同，LED灯被点亮，表示电路中存在电流，说明RC谐振电路实现了电能的无线传输.

图8 无线传电现象演示

4 结束语

特斯拉线圈能产生绚丽的闪光，然而特斯拉线圈涉及到高压电，使得在制作和使用时又存在一定的危险性. 本设计制作的微型、小功率的特斯拉线圈放电演示仪，既达到了演示效果，又保障了演示实验的安全性，仪器包含的原理、展示的现象体现出丰富的物理知识，不仅可以作为物理演示实验仪器，同时也可以作为科普趣味教学演示仪器.

[1] 赵平华,贺晓华.RLC串联谐振电路的研究[J]. 大学物理实验,2012,25(6):69-72.

[2] 徐应年,赵阳，黄友桥,等. 简单、高效串联谐振逆变电源研究 [J]. 高电压技术，2008,34(1):187-190.

[3] 陈建. IGBT 半桥串联谐振型感应加热电源调频调功技术研究[J]. 山东工业技术，2014(10)：193-194.

[4] 李明谦. 火花间隙特斯拉线圈的制作[J]. 技术研发,2014,21(9):28-30.

[5] 王毅伟,郭颖. 基于特斯拉线圈的无线充电模型设计[J]. 国外电子测量技术,2016,35(9):34-36.

[6] 杨汉祥. 高压尖端放电实质的实验研究[J]. 上饶师范学院学报,2005,25(6):42-45.

[7] 董馨，孙智兴，于江涛. 大气压等离子体实验演示仪[J]. 物理实验,2014,34(9):32-35.

[8] 孙佩雄,蒋甜甜. 辉光球的发光原理及在物理教学中的应用[J]. 物理通报,2013(11):123-125.

Micro-demonstratorfortipdischargeusingsolidstateTeslacoil

WU Qing-zhou, WANG Tao

(College of Zijin, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210023, China)

A tip discharge demonstrator using Tesla coil was a high voltage discharge device based on the principle ofRLCseries resonance. The oscillation signal was provided by 555, the driver circuit was built using Mosfet driver chip TC4420, the power circuit adopted the MOS tube IRFP460, and the audio was modulated by the power supply. The demonstrator could demonstrate the phenomenon of tip discharge, music arc, pointing fluorescent lamp cross the air and wireless power transmission. The demonstrator adopted modular design with low volume and low power, which could both achieve the demonstration effect and ensure the safety.

RLCseries resonant; Tesla coil; tip discharge

“第13届全国高等学校物理演示实验教学研讨会”论文

2017-06-08

高等学校物理实验课程教学研究项目(No.01-201601-05)；江苏省教育科学“十三五”规划立项课题(No.D/2016/01/06)

吴庆州(1981-)，男，江苏沛县人，南京理工大学紫金学院副教授，硕士，主要从事物理实验教学与创新教育.

O441

A

1005-4642(2017)12-0035-03

任德香]