特斯拉线圈电弧与雷电的不解之缘

众所周知，特斯拉线圈是目前除Marx发生器之外。最有效产生高压电弧的科学实验设备。
特斯拉线圈的放电模式也一直是爱好者们关注的话题。
今天Black就和大家聊一聊形形色色的电弧，和电弧的产生原理。
我们都知道特斯拉线圈在不同的条件下会表现出形态各异的电弧形状，如下几张图~


本图来自本人于2012年11月完成的一台SSTC，它运行在安静的CW模式。首发科创论坛。
这种电弧形态看起来类似一团毛茸茸的球，多见于一些无灭弧运行的SSTC中。
特点是能量集中，温度较高，能够点燃木材纸张等易燃物。


本图来自本人于2012年11月完成的一台DRSSTC。运行电流为360A，Ontime120uS。首发科创论坛。
而这种电弧看起来颜色较亮，且成簇状分布。它来自于一些高脉宽，高BPS的DRSSTC。
特点是电弧较长，往往声音响亮，能够达到0.5~1.2m的长度。


本图来自本人于2012年11月完成的同台DRSSTC。运行电流为420A，Ontime60uS。首发科创论坛。
而上图这种电弧来自于同一台DRSSTC，而仅仅是改变了灭弧信号的形态。
那么为什么同样的TC却能够产生截然不同的电弧形态呢？
众所周知，特斯拉线圈的原理为间歇工作松散耦合谐振变压器。这个名词可能有点难以理解。
那么我们就换一种说法，其实特斯拉线圈可以类比为一个不断补充水，又能溢出水的蓄能池。
当初级回路补充能量后，能量转换为电弧形态，电离空气，以等离子体的形式释放能量。
而恰恰特斯拉线圈的次级线圈放电端对地形成一个电容~
自然课本告诉我们，云层是由于水蒸气的蒸腾以及相互运动效应，使得云层与大地形成电位差。
而云层作为相对于空气的良导体，与同为良导体的大地之间，形成一个巨大的电容~
所以我们可以用闪电的放电来类比特斯拉线圈的放电过程。
我们看下面一张图。


这张图揭示了一次完整闪电的形成过程。（实际上这句话并不严谨，原因后文解释）
我们可以看到，电弧的形成也是需要时间的，由云层与大地之间形成一种“单向电弧”的形式。（术语-放电先导）
这种有趣的“单向电弧”的放电形式，恰恰就是特斯拉线圈每次放电的放电状态了~
接下来我们看，由于闪电的过程是连续的，我们从左到右把四张照片拍摄的时间点命名为T1-T4。
可以很清楚发现，T1的闪电规模最小，如果我们现在有一个巨大的“上帝开关”，命令“Turn Off”。
那么闪电戛然而止（然而这不可能哈哈哈），会发现电弧长度仅限于此。
而T3-T4也同样进行这样的操作，就能使闪电长度得到控制。
其实以上的简单图示，已经能够形象的比喻特斯拉线圈中为什么会形成状态不同的电弧原因了。
毛茸茸电弧    -无关断，能量反复电离空气，源源不断输送的能量维持等离子体的产生，由于输送能量的频率非常高，所以无法听见声音，而由于整体能量较低，电弧范围也较短。
章鱼触手电弧  -小型版的“上帝之手”，在电弧增长的过程中，就关断电弧。而关断电弧能够让同样的设计能量功率下，爆发出更大的单次能量。而多次叠加之后，因为视觉暂留效应，所以显得电弧规模很大，实际上平均功率并不大。
飘带电弧     -快速开关的截断模式，这个时候的单次能量被压缩在更短时间内产生，此时相当于能预留更长的时间或更大的电压电离空气，而由于整体能量不变的原因，电弧较细。同样由于视觉暂留，电弧很像一条丝带~
当然除了以上几种电弧模式，有些做得比较好的TC电弧很长，能够打到金属物件或者地上。


本图来自本人于2013年8月完成的一台DRSSTC。运行电流为600A，Ontime300uS。首发科创论坛。
这时候会发现，电弧会变得非常粗，可以看到图片中电弧能够在墙纸的接触点上形成一个明亮的火球。
声音非常响亮，而且这个时候，电路的OCD过流保护会发生动作。这是为什么呢？
其实这同样能通过雷电放电来解释。
下图与前图相比展示出一个一个真正完整的云层对地放电的过程。


仔细看了前文的细心读者可能会发现（没看的快回去看啦！），这张图前1/3恰好是之前的放电过程。
而之后还会陆续发生三次放电，和主放电电流相比，之前的先导放电就显得微不足道了。
把这个概念换至特斯拉线圈上，在发生对地放电的时候，相当于把特斯拉线圈的顶端与地短接。
电容中储蓄的大量能量，通过空气中的电弧电离通道得到释放。
所以电弧会非常明亮，所以图中放电的过程，能量是十分巨大的。这就不难理解为什么会发生过流了。
但是为什么我们要研究特斯拉线圈的放电原理呢？原因很简单，看下图。


本图来自Aoho会员完成的一台QCWDRSSTC。运行电流为未知，Ontime未知。首发科创论坛。
第一次见到这种电弧的时候，是在国外网站上，让我非常惊讶。这种电弧的形成原理较为复杂。
是国外爱好者在研究特斯拉线圈的放电原理之后，尝试得出的一种非常优秀的放电方式。
使得短短30公分的线圈，能够产生接近3m的电弧长度。
这台TC的电弧长度未知，但是能推测出一次放电的能量不会少于几百焦耳。
其精髓就在于对放电时间、放电方式的把控上。
看到这里，细心的读者一定会对之前为什么说些繁文缛节感到怅然若怀了。
特斯拉线圈爱好的绚丽正因为专注，而专注的探寻事物本质又能给我们带来更多的乐趣~
本文用简单易懂的语言配合图文向大家展示了特斯拉线圈的放电原理，也让本来看起来奇妙的放电过程原原本本的呈现在大家的眼前。
的精力时间有限，但是会在未来的时间里给爱好者带来更多有营养的内容。
文中出现的不足也希望大家多多谅解~~~

今天的话题就到这，更多的细节其实能写一本书了，也确实有专门的一门学问用来研究空气放电。
如果读者对这方面的知识有兴趣，可以私信我，我会多多整理一些这方面的资料的~
不忘初心，方得始终。
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本文转自 QQ部落_特斯拉线圈<特斯拉线圈电弧与雷电的不解之缘>
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