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说到特斯拉，很多人第一眼想到的就是著名的汽车品牌，因为这个汽车的品牌非常的著名，可以说是顶级汽车的代表，可是说到尼古拉特斯拉，还是有很多人知晓的，因为这个人可以说是历史上的一个物理学家奇才，他的发明可以说是完全超越了当时的科技水平，因此有很多人说他其实是外星人，其中他提出来的特斯拉线圈就是非常著名的一个东西，因为根据预想，这种东西能够实现能源的无限发展，并且特斯拉线圈的原理也相对比较简单，很多普通的人都可以制作特斯拉线圈，目前人们对于特斯拉线圈的探索依然在进行着，毕竟这种东西的开发潜力是非常巨大的。
 一、特斯拉线圈的发明者  特斯拉线圈的发明者是一个叫做尼古拉特斯拉的科学家，他是世界上最伟大的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师之一。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚(后并入奥地利帝国)。特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性的贡献也是知名的。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力(AC)的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助了他带起第二次工业革命。 二、特斯拉线圈是如何被发明的  发明特斯拉线圈的时代，还得从19世纪的九十年代说起。以发明电灯泡起家的爱迪生，正在全力研发和推广直流电设备、直流用电系统。而一位名叫尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的美籍塞尔维亚裔天才科学家，在1883年为人类创造出了第一个小型交流电动机之后，坚信交流电的诸多明显优势更加适用于电力系统的构建。 正当两方各自的科研和商业竞争愈演愈烈之时，特斯拉在1890年发现了横跨物理学中机械学、声学和电力学中的共振现象。在随后的1891年，这位天才科学家利用共振原理制造出了一个新型变压器——“特斯拉线圈（Tesla Coil）”，于是一项伟大的发明横空出世。 三、特斯拉线圈的种类  特斯拉线圈其实有很多的类型，因为根据设计理念的不同，特斯拉线圈能够产生不同的效果，不同的接线级能够产生不同的表现，而能量的大小也能有不同的作用，一般来讲，特斯拉线圈有以下的一些种类。 1、离线式特斯拉线圈 当我们把SGTC的打火器去掉，换成一个MOSFET或者IGBT来代替，并在用一个二极管反向并联在D极和S极（如果是IGBT，就是C极和E极）上，并用一个固态的电路来控制这个开关管，再加以低压驱动，就成了OLTC。 它的本质原理依然是LC振荡，且和SGTC几乎相同，不同的地方，就是把打火器换成了固态开关，并使用了低压驱动。其它地方没有太多区别。 由于是低压驱动，无法形成太大的电流，所以OLTC的电弧是不如SGTC壮观的。 2、真空管特斯拉线圈 当电子管逐渐退出我们的视野时，一群电子管发烧友用它们做出了VTTC。电子管本身有高频性能好等等优点，所以做出的VTTC效果十分独特。但是，不可否认，电子管本身有造价高、寿命低、效率低、发热严重以及极易损坏等缺点，VTTC未能大范围流行。 3、连续波双谐振固态特斯拉 实验证明，连续模式（CW）的特斯拉线圈由于功率要是在没有时间限制情况发挥出来弧并不长，且呈簇状。 4、双谐振特斯拉线圈 DRSSTC本质属于一个串联谐振逆变器，相对于SSTC来说，由于初级线圈发生了串联谐振，初级线圈电感两端的电压为激励源电压的Q倍，谐振阻抗Z（R）因子很低，因此初级的谐振电流很大（谐振电压除以谐振阻抗等于谐振电流），此时给次级提供的励磁功率也会很大，和SSTC可不是一个数量级的。相比SSTC来说，SSTC的初级线圈给次级线圈无法提供足够大的励磁功率，所以导致SSTC产生的闪电壮观程度不及同功率等级的火花隙特斯拉线圈。 DRSSTC的初级线圈不仅满足了次级线圈的电感和分布电容发生串联谐振的条件，也能够给次级线圈提供足够大的励磁功率，所以DRSSTC的电弧长度会很长。 优点：相比SGTC来说，没有火花间隙的声光污染，可控性强，可以放音乐，效率高，寿命长。 5、带灭弧固态特斯拉线圈 同输出功率下，SSTC的电弧成簇状，且明显不如SGTC壮观。这时，可以加上一个灭弧器来模仿SGTC的工作，电弧可以长一些，还可以利用音频信号灭弧信号来演奏音乐。 6、固态特斯拉线圈 说通俗些是个单谐振的电子开关特斯拉线圈，初级不发生串联谐振，只给次级提供可以满足次级LC发生串联谐振的频率，让次级线圈发生串联谐振，初级电流为激励源电压除以交流阻抗。 优点：具有低噪音、高效率、寿命长的特点，因而得到了很好的发展。 缺点：初级线圈给次级线圈提供的励磁功率有限，电弧不长。 7、触发二极管特斯拉线圈 由触发二极管--IGBT管组成的电路组代替传统火花间隙工作，达到消除打火噪音的目的。 8、火花间隙特斯拉线圈 尼古拉·特斯拉先生本人当年发明的“特斯拉线圈”就属于SGTC。由于构造、原理较为简单，所以也是现阶段初学者入门特斯拉线圈。 四、特斯拉线圈的原理  简单来说，特斯拉线圈是一种升压装置，学名为“分布参数高频共振变压器”。它带有两级升压线圈，可以把家用的220V电压升到数万伏甚至数十万伏，然后再经放电终端放电。由于电压很高，放电时产生的火花就像小型闪电。另一方面，特斯拉线圈包含了LC振荡回路，因此放电终端产生的交流电具有很高的频率。 以家用工频50Hz交流电为例，特斯拉线圈的放电终端可以达到100kHz到1.5MHz，即工频的2000到30000倍。因此特斯拉线圈可以产生超高电压但低电流、高频率的交流电。 首先，工频电源经过升压变比为2000以上的变压器升压，经过整流桥后对电容C1充电。当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙（SG）的阈值，打火间隙击穿空气打火，变压器初级线圈的通路形成，能量在电容C1和初级线圈L1之间振荡，并通过耦合传递到次级线圈。次级线圈也是一个电感，放顶罩C2和大地之间可以等效为一个电容，因此也会发生LC 振荡。当两级振荡频率一样发生谐振的时候，初级回路的能量会涌到次级，放电端的电压峰值会不断增加，直到放电。 五、特斯拉线圈与无线电力传输  第一次接触特斯拉线圈还是在中国达人秀上面，我永远也忘不了那位年轻而又神秘的少年——卢驭龙，年仅16岁的他就成为了中国科学达人。同时我也认识了另一位好朋友——“特斯拉线圈”。 特斯拉线圈（Tesla Coil）在本质上来说是一种特殊的变压器。该变压器通过多级耦合电路将普通交流电压提升的百万伏或者千万伏级别的电压。经过特斯拉线圈作用的放电终端的电压特性为低电流、超高压、高频率。特斯拉线圈最早由尼古拉·特斯拉发明。 特斯拉对线圈进行了多种方式的配置，他试图通过利用不同方式，结合不同实验现象对线圈配置进行改进和优化，以期可以通过该线圈实现电力的无线传输。特别是其为科学研究而建造了沃登克里弗塔，但是资金的短缺导致该项目最终还是失败了。但是这并不能证明无法利用特斯拉线圈进行电力的无线传输。本文就特斯拉线圈及如何利用特斯拉线圈实现电力的无线传输进行了研究。 一个小型的特斯拉线圈物理结构应该由以下几个模块构成：感应线圈模块、打火模块、电容器模块、变压器模块、互感模块。其中电容器部分要求至少要有两个大容量电容，要求互感器部分的初级线圈的圈数要少一些，保证增大电压的能力。 对线圈进行放电，电能通过变压线圈耦合到大容量电容阵中。随着电容充电过程的不断持续，电容两级电势差会不断增大，一旦该差值超过击穿电压值，就会对电容两极间的打火器进行点火，进而在电容阵和主线圈之间形成闭合回路，该回路利用电磁效应将电能通过耦合由初级线圈耦合到次级线圈中。 利用特斯拉线圈可以将普通交流电压耦合到高频高压范围，因此使用该线圈时需要注意采取必须的防护措施，以免发生事故。 为了让大家更清楚的理解，这里我做了一个小型特斯拉线圈，如图1所示。 图中所示为小型特斯拉线圈装置，大体分为5个部分，放电顶端装置1号位置，次级线圈2号位置表示，初级线圈表示在3号位置，底座为4号位置，外输出装置在5号位置表示。该装置主要由放电顶端的球形装置产生的电弧现象以及外输出装置（节能灯发光）呈现。 当节能灯靠近次级线圈，达到一定距离时就会发光，同时放电顶端表面的电弧变弱。同样，距离变远时，灯光由亮变暗，电弧现象增强。由该实验可以看出，特拉斯线圈可以实现电力的无线传输。若提高特拉斯线圈的电压和频率，可以将电能输送到很远的地方。利用特斯拉线圈实现电能的无线传输是其今后的主要发展趋势。 基本的特斯拉线圈原理图如下图2所示，电源端电压经过整流后变为直流电，该直流电对回路中的大容量电容进行充电。随着充电的进行，电容两级间的电势差不断增大，当电容两极间的电势差超过空气所能承受的最大绝缘电压时会在电容两极间产生放电现象。此时初级谐振回路处于导通状态，整个电路的能量通过耦合效应由初级回路耦合到次级回路。 通过几个周期的耦合后，大部分能量被转移到次级回路中。其中，部分能量会因线路损耗等被损耗掉。根据线圈结构可知，在次级回路中的能量还会通过耦合返回到初级回路，期间部分能量被损耗。几个耦合周期后，电容两端的电势差无法击穿空气，导致初级线圈所在回路断开，该过程结束，电源重新进入充电状态。特斯拉线圈的放电过程只有三到十毫秒，但是线圈的放电频率超过100次每秒，因此虽然放电过程持续时间较短，但仍旧会给观察者以持续放电的效果。 通过上述分析可知，其结构和原理相对简单，实现较为容易。但是在大规模实际应用中，对其与环境的调试具有非常大的操作难度。虽然理论和局部验证性质的实验证明利用特斯拉线圈可以实现电能的无线传输，且该方式传输效率高、对生态破坏性小，但是实际应用中还存在诸多困难和障碍，还无法将其应用到实际电力输送中。 需要注意的是，特斯拉线圈能够将普通电压提升到超高伏电压段，该阶段电压远远超出了人类的承受能力，若不慎发生触电不仅会导致触电者瞬间死亡，还会对触电者周围环境产生破坏，因此在线圈的制造和维护过程中一定要采取足够的防护措施，操作人员要严格按照其所掌握的理论基础和操作规范进行操作，以免发生危险，对人和设备造成危害。 六、特斯拉线圈计算公式  在特斯拉线圈制作的过程中，无论是大功率的特斯拉线圈，还是标准功率的特斯拉线圈，都需要工程师精确的按照相应公式完成功率、电容、电压、电流等数值的计算。下面皮卡中国小编就来给大家介绍一下那些特斯拉线圈的公式内容。 1、电路长度计算公式 在特斯拉线圈制作的过程中，电路长度的计算是需要非常精确的，这就需要用到一个计算公式，即：L=1.7*sqrt（P）。在该公式中，电弧长度为L，单位是英寸，P为变压器功率，单位是瓦特，sqrt为开方。 2、震荡频率计算公式 震荡频率的计算公式为F=1/[2*Pi*sqrt（L*C）]。 3、电容阵列计算公式 在制作过程中，特斯拉线圈电容阵列最大容量的计算公式也是最常用到的，该计算公式为C=（10^6）/[6.2832*（E/I）*F]。在该公式中，E为变压器输出电压，单位伏特，I为变压器输出电流，范围毫安，电容器阵列最大容量为C（单位微法），F是交流频率（单位赫兹）。 4、交流峰值公式 当电容过大时在交流上升到顶点时，即sqrt（2）*V时，电容电压过低无法击穿打火器的空气隙则打火器无法启动就无法工作，整个系统也就无从启动。 七、特斯拉线圈的能量接收作用  只要建立一座大型特斯拉线圈，纵使接收电容的数量不断增加，也绝对不会影响该线圈所供应电力的输出量。换句话说，只要该座线圈是输出10万匹马力之电力， 方圆35英里内，所有接收电容即可接收10万匹电力，就算再增加多1 万个或100万个接收电容，这1万个或100万接收电容亦可以接收空气中的10万匹的电力。 因为它所释放的高压高频电流，能够诱导其他空气中的中子释放出 一样的电子。这就是特斯拉线圈与一般免费能源发明之分别。比如只要城市在数个方位位置上建设了特斯拉线圈，整个城市每一处地方即可享受到免费电力的生活。我们的交通工具、汽车、火车、轮船、飞机、手提电话、白光 灯、电脑、升降机、电冰箱和空调机皆能使用免费电力。 可惜这项已于100年前被确认的免费能源至今仍遭到不公平的压抑，在各个国家中只允小撮人以实验性质来制造，并不能被推上成为主要供电方法之一。 八、特斯拉线圈在无人机方面的作用  按照无人机目前发展的热火趋势来看，未来不管是送包裹，还是看农场、抓犯人，这种体型小巧灵活的飞行器似乎都能够胜任。不过这家伙也并非没有缺点，其中最恼人的莫过于电池续航不足的问题。目前大部分市面在售的无人机，单次充电在空中停留的时间不超过30分钟，之后便需要更换电池或连接电源充电。 其实，将电能通过无线方式传输的想法，在一个多世纪前就有了。1893年，作为工业级电力应用倡导者之一的尼古拉·特斯拉，在当年芝加哥举行的哥伦布纪念博览会上，就曾展示过「隔屋点灯」的“绝技”。不过这种「点灯泡」的小伎俩和特斯拉怀揣已久的野心相比，似乎根本不值得一提。按照他的想法，未来利用高塔和气球进行“广播”，即可将电力输送到世界各地，甚至特斯拉还为第一次试验成功申请到了摩根大通的投资。 不过遗憾的是，和当时大部分物理学家预测的一样，特斯拉「无线输电」的试验最终以失败告终。尽管特斯拉的偏执与爱出风头曾一度被人诟病，但不可否认的是，一些能够实现远程电能传输的靠谱方式，目前正越来越受到关注。 例如，特斯拉率先尝试的无线充电技术已经在手机上得以实现，而研究人员甚至正在开发类似的无线供电的厨电家居，抬头显示器等军用装备，心脏泵、脑电图等医疗器械。据市场知名调研机构IHS估计，目前每年此类设备的销售额在5亿美元左右，未来10年内，该数值将实现30倍的增长。 九、特斯拉在其他方面的作用体现  特斯拉线圈由两组(有时用三组)耦合的共振电路组成。特斯拉线圈难以界定，尼古拉·特斯拉试行了大量的各种线圈的配置。特斯拉利用这些线圈进行创新实验，如电气照明，荧光光谱，X射线，高频率的交流电流现象，电疗和无线电力，以便进行电力传输。 十、特斯拉线圈如何制作  其实说到特斯拉线圈的作用，目前很多的民间科技爱好者都非常喜欢特斯拉线圈，因为这种东西是可以自行进行制造的，也就是说只要你有科技的知识，那么自行制造特斯拉线圈是非常有可能得，并且由于特斯拉线圈非常的美丽，所以成了欣赏者非常喜爱的一种东西，下面皮卡中国的小编就教大家如何制造特斯拉线圈。 1、初级线圈的制作 用2mm的漆包线绕成圆柱形状。类似一个压扁的弹簧。直径7.5厘米，绕七圈。这一步，我建议大家找一小段直径7.5厘米的塑料管来绕，这样容易绕，也比较坚固。线之间尽量不留空隙。 2、次级线圈的制作 用0.25mm漆包线在管子上绕，线不能交叉，绕1000圈。尽量保证线和线之间没有空隙。有条件的，可以用绝缘漆刷一层。对于次级线圈，我没有什么好说的，也没有什么技巧。我们要遵循两个原则：一，线不能交叉；二，绕线要紧密。用0.25的线绕1000圈，大约有27.5厘米长。因为漆包线的表面是有一层漆的。开始绕之前，一定要先在管子一段钻个小小的洞，再把线的一头用胶固定好，然后开始绕。绕的过程中务必要小心，如果线乱了那就大杯子了。绕好后务必要把线固定好。 3、组装线圈 把次级线圈的线的一头接在那个金属球上。这个球，我们称为放电顶端。它和地面形成了一个电容。然后用胶或者热胶枪把球固定在管子一头。 把次级线圈固定在塑料板上，初级线圈固定在次级线圈附近。次级线圈的线的另一头接地。这样，我们先把初级线圈用胶固定在有机玻璃板中间（我假设你买的是有机玻璃板），然后再把次级线圈固定在初级线圈中间。然后，把次级线圈的一头的漆包线的一小段弄掉一点漆，接在那个圆球上，再把球固定好。次级线圈的线的另一头要接地。 4、组合电容 我们需要一些无极性电容，推荐使用MKPH电容或者陶片电容。根据这个线圈的数据，我计算的结果是需要一个21717pF的电容。呃，要这么精确干什么，就取0.022μF吧（可根据打火器间距进行微调）。 电容的耐压取决于电源的电压，而高压包可以产生一到两万伏的电压，所以电容的耐压还是越高越好。电容的计算很简单，在此，再提一下。串联电容的耐压等于各电容耐压之和，容量的倒数等于各电容的容量的倒数之和。 并联电容的耐压不变，容量等于各电容的容量之和。（我们组合电容时，尽量使用同种电容。）建议使用20kv 1000p的电容串并联22次，比较省材料。 5、制作电源 我们可以采用单管自激推高压包的方法来产生高压。我们使用一个2N3055三极管。那个黑色的东西，就是高压包的磁芯。绕在铁氧体上的那两个线圈，上面到下面两个分别用1mm漆包线绕八圈和二十圈。绕线的方向必须相同！ 最好给三极管装一个散热装置，因为单管自激会产生高温，不吱温度过高会不会把三极管烧坏。高手可以直接搭棚，而菜鸟们还是老老实实用洞洞板吧，用那个12V蓄电池作为它的电源。 6、制作打火器 SGTC的原理就是先给电容充电，电容的电压达到一定程度时，在打火器出放出电弧，形成一个回路，然后放电，之后重新开始这个循环。 我们可以用稍粗的漆包线来制作打火器。一般，打火器是不能用尖端的，需要用光滑表面。把两段粗漆包线的一头的皮刮掉，弯成两个光滑表面，然后用热胶枪固定在塑料板上，中间留6~10毫米间隙。 7、最终的装配 这个“对地等效电容”没必要做，因为它是放电顶端和地面形成的一个等效电容。根据电容的概念，这个“电容”的两个极板分别是放电顶端和地面，介质是空气。 十一、特斯拉线圈的崛起 提到无线充电技术，很多人会想到大名鼎鼎的“Tesla线圈”。被认为是“通古斯大爆炸”缔造者的尼古拉·特斯拉，发明了这种可以产生人造闪电的高能设计。虽然可以让电跨空气传播，但和我们现在所说的无线充电还有点区别。真正类似的设计，是电感线圈。一组线圈通电后，可以利用电磁场在另外一组相邻的线圈中产生电流，这也就是无线充电的雏形。虽然这个技术已经出现了百十年，但到目前为止，无线充电技术的普及难度仍然非常高，甚至最大的受益者居然是充电牙刷，这实在是一件让人高兴不起来的事情。 其实无线充电技术真正的壁垒，在于短距离感应耦合的高要求条件。从而使得在很长一段时间里，它都无法真正普及，哪怕是业内已经出现了Qi这种规范化标准。不过一切都在朝着好的方向发展，4AWP以及PMA两大标准宣布合并，而Qi标准的阵容也在一步步扩大，微软、松下、三星、索尼、东芝……连宜家都表示即将推出支持Qi充电的全新家具系列。最新的Qi标准可以实现45mm的充电距离，这个进步也算是一个小小的突破了。 得益于无线充电技术，人们可以逐步抛弃插头，就像当年用Wi-Fi取代有线网一样。而其充电速度、稳定性和安全性等指标，也会随着时间的推移慢慢进化。而且除了数码领域，我们还可以在更多地方看到这类技术。在今年的首届CES ASIA上，我们看到了来自大众汽车的高尔夫概念车，可以直接驶入特定区域，通过底下的磁感线圈进行无线充电。如果未来的感应耦合可以突破距离和准确度的限制，那可能任何需要用电的东西都能随时进行电能补给。比如你坐在客厅里，无线充电装置位于书房，你也可以通过手机App一键完成远距离充电。如此一来，走进厕所才发现手机电量见底也不必担心了——只要还没自动关机。现在星巴克也在部分门店推出了Qi无线充电技术，如果距离得到突破，那门口除了蹭网的，还会出现一批蹭电的。 如果把未来预期的无线充电效果比作Wi-Fi技术，那今天的无线充电模式连蓝牙级别都算不上。但我们相信一次次小的进步会积累成大的成功，而这一切即将发生在不远的将来。 |
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