ملف تسلا: التاريخ ، كيف يعمل ، ما الغرض منه - جسدي - بدني - 2025

ل فائف تسلا هو لف أن يعمل بمثابة عالية الجهد، ومولدات عالية التردد. اخترعه الفيزيائي نيكولا تيسلا (1856-1943) ، الذي سجل براءة اختراعه في عام 1891.

جعل الحث المغناطيسي تسلا يفكر في إمكانية نقل الطاقة الكهربائية دون تدخل الموصلات. لذلك ، كانت فكرة العالم والمخترع هي إنشاء جهاز يعمل على نقل الكهرباء دون استخدام الكابلات. ومع ذلك ، فإن استخدام هذه الآلة غير فعال للغاية ، لذلك انتهى الأمر بالتخلي عنها قريبًا لهذا الغرض.

الشكل 1. مظاهرة مع ملف تسلا. المصدر: Pixabay.

ومع ذلك ، لا يزال من الممكن العثور على ملفات تسلا مع بعض التطبيقات المحددة ، مثل الأبراج أو في التجارب الفيزيائية.

التاريخ

تم إنشاء الملف بواسطة Tesla بعد وقت قصير من ظهور تجارب Hertz. أطلق عليها تسلا نفسه اسم "جهاز لنقل الطاقة الكهربائية". أراد تسلا إثبات أن الكهرباء يمكن أن تنتقل بدون أسلاك.

في مختبره في كولورادو سبرينغز ، كان لدى تسلا تحت تصرفه ملف ضخم بطول 16 مترًا متصلًا بهوائي. تم استخدام الجهاز لإجراء تجارب نقل الطاقة.

جرب لفائف تسلا.

في إحدى المرات وقع حادث ناتج عن هذا الملف حيث تم حرق دينامو من محطة طاقة تقع على بعد 10 كيلومترات. نتيجة لهذا الفشل ، تم إنتاج أقواس كهربائية حول لفات الدينامو.

لم يثبط أي من ذلك تسلا ، الذي استمر في تجربة العديد من تصميمات الملف ، والتي أصبحت معروفة الآن باسمه.

كيف يعمل؟

ملف تسلا الشهير هو أحد التصميمات العديدة التي صنعها نيكولا تيسلا لنقل الكهرباء بدون أسلاك. كانت النسخ الأصلية كبيرة الحجم وتستخدم مصادر الجهد العالي والتيار العالي.

من الطبيعي أن توجد اليوم تصميمات أصغر حجمًا ومدمجة ومصنوعة منزليًا سنشرحها ونوضحها في القسم التالي.

الشكل 2. رسم تخطيطي لملف تسلا الأساسي. المصدر: عصامي.

التصميم المبني على الإصدارات الأصلية من ملف تسلا هو الذي يظهر في الشكل أعلاه. يمكن تقسيم الرسم البياني الكهربائي في الشكل السابق إلى ثلاثة أقسام.

المصدر (F)

يتكون المصدر من مولد تيار متناوب ومحول عالي الكسب. عادةً ما يكون خرج المصدر بين 10000 فولت و 30000 فولت.

أول دائرة طنين LC 1

ويتكون من مفتاح S يُعرف باسم "Spark Gap" أو "Explosor" ، والذي يغلق الدائرة عندما يقفز شرارة بين طرفيها. تحتوي دائرة LC 1 أيضًا على مكثف C1 وملف L1 متصل على التوالي.

دائرة الطنين الثانية LC 2

تتكون دائرة LC 2 من ملف L2 بنسبة دوران تبلغ حوالي 100 إلى 1 بالنسبة للملف L1 ومكثف C2. يتصل مكثف C2 بالملف L2 عبر الأرض.

عادةً ما يكون ملف L2 عبارة عن جرح سلكي مع مينا عازلة على أنبوب من مادة غير موصلة مثل السيراميك أو الزجاج أو البلاستيك. الملف L1 ، على الرغم من عدم ظهوره على هذا النحو في الرسم البياني ، يتم جرحه على الملف L2.

مكثف C2 ، مثل جميع المكثفات ، يتكون من لوحين معدنيين. في ملفات تسلا ، تكون إحدى لوحات C2 عادةً على شكل قبة كروية أو حلقية ويتم توصيلها في سلسلة مع ملف L2.

اللوحة الأخرى لـ C2 هي البيئة المجاورة ، على سبيل المثال قاعدة معدنية منتهية في كرة ومتصلة بالأرض لإغلاق الدائرة مع الطرف الآخر من L2 ، متصل أيضًا بالأرض.

آلية العمل

عندما يتم تشغيل ملف تسلا ، يقوم مصدر الجهد العالي بشحن المكثف C1. عندما يصل هذا إلى جهد عالٍ بما فيه الكفاية ، فإنه يقوم بقفزة شرارة في المفتاح S (فجوة شرارة أو انفجار) ، مما يؤدي إلى إغلاق دائرة الطنين I.

ثم يتم تفريغ المكثف C1 من خلال الملف L1 لتوليد مجال مغناطيسي متغير. يمر هذا المجال المغناطيسي المتغير أيضًا عبر الملف L2 ويحفز قوة دافعة كهربائية على الملف L2.

نظرًا لأن L2 أطول بحوالي 100 دورة من L1 ، فإن الجهد الكهربائي عبر L2 أكبر 100 مرة من الجهد عبر L1. وبما أن الجهد في L1 يكون في حدود 10000 فولت ، فإنه في L2 سيكون 1 مليون فولت.

يتم نقل الطاقة المغناطيسية المتراكمة في L2 كطاقة كهربائية إلى المكثف C2 ، والذي عندما يصل إلى قيم جهد قصوى تبلغ مليون فولت يؤين الهواء ، وينتج شرارة ويتم تفريغه فجأة عبر الأرض. يحدث التفريغ ما بين 100 و 150 مرة في الثانية.

تسمى دائرة LC1 بالرنين لأن الطاقة المتراكمة في المكثف C1 تمر إلى الملف L1 والعكس صحيح ؛ وهذا يعني حدوث تذبذب.

يحدث الشيء نفسه في دائرة الطنين LC2 ، حيث يتم نقل الطاقة المغناطيسية للملف L2 كطاقة كهربائية إلى المكثف C2 والعكس صحيح. وهذا يعني أنه في الدائرة يتم إنتاج تيار ذهابًا وإيابًا بالتناوب.

تردد التذبذب الطبيعي في دائرة LC هو

الرنين والحث المتبادل

عندما تحدث الطاقة الموردة إلى دارات LC بنفس التردد مثل التردد الطبيعي لتذبذب الدائرة ، يكون نقل الطاقة هو الأمثل ، مما ينتج عنه تضخيم أقصى في تيار الدائرة. تُعرف هذه الظاهرة الشائعة في جميع الأنظمة المتذبذبة بالرنين.

تقترن دارات LC1 و LC2 مغناطيسيًا ، وهي ظاهرة أخرى تسمى الحث المتبادل.

من أجل أن يكون نقل الطاقة من دائرة LC1 إلى LC2 والعكس صحيحًا على النحو الأمثل ، يجب أن تتطابق ترددات التذبذب الطبيعي لكلا الدائرتين ، كما يجب أن تتطابق أيضًا مع تردد مصدر الجهد العالي.

يتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط قيم السعة والحث في كلتا الدائرتين ، بحيث تتوافق ترددات التذبذب مع تردد المصدر:

عند حدوث ذلك ، يتم نقل الطاقة من المصدر بكفاءة إلى دائرة LC1 ومن LC1 إلى LC2. في كل دورة تذبذب ، تزداد الطاقة الكهربائية والمغناطيسية المتراكمة في كل دائرة.

عندما يكون الجهد الكهربائي عبر C2 مرتفعًا بدرجة كافية ، يتم إطلاق الطاقة على شكل برق عن طريق تفريغ C2 على الأرض.

يستخدم لفائف تسلا

كانت فكرة تسلا الأصلية في تجاربه مع هذه الملفات دائمًا هي إيجاد طريقة لنقل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة دون أسلاك.

ومع ذلك ، فإن الكفاءة المنخفضة لهذه الطريقة بسبب فقد الطاقة عن طريق التشتت في البيئة جعلت من الضروري البحث عن وسائل أخرى لنقل طاقة الطاقة الكهربائية. اليوم الأسلاك لا تزال تستخدم.

مصباح البلازما الذي ساعد في تطوير تجربة تسلا.

ومع ذلك ، فإن العديد من أفكار نيكولا تيسلا الأصلية لا تزال موجودة في أنظمة النقل السلكية الحالية. على سبيل المثال ، تم ابتكار محولات الصعود في المحطات الفرعية الكهربائية للإرسال عبر الكابلات مع خسائر أقل ، ومحولات التنحي للتوزيع المنزلي ، بواسطة Tesla.

على الرغم من عدم استخدامها على نطاق واسع ، لا تزال ملفات تسلا مفيدة في الصناعة الكهربائية عالية الجهد لاختبار أنظمة العزل والأبراج والأجهزة الكهربائية الأخرى التي يجب أن تعمل بأمان. كما أنها تُستخدم في العديد من العروض لتوليد البرق والشرر ، وكذلك في بعض التجارب الفيزيائية.

من المهم اتخاذ تدابير السلامة في تجارب الجهد العالي مع ملفات تسلا الكبيرة. مثال على ذلك هو استخدام أقفاص فاراداي لحماية المراقبين والبدلات الشبكية المعدنية لفناني الأداء الذين يشاركون في العروض بهذه البكرات.

كيف تصنع ملف تسلا محلي الصنع؟

مكونات

لن يتم استخدام أي مصدر تيار متردد عالي الجهد في هذه النسخة المصغرة من ملف تسلا. على العكس من ذلك ، سيكون مصدر الطاقة عبارة عن بطارية 9 فولت ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي في الشكل 3.

الشكل 3. رسم تخطيطي لبناء ملف تسلا صغير. المصدر: عصامي.

الاختلاف الآخر عن إصدار تسلا الأصلي هو استخدام الترانزستور. في حالتنا سيكون 2222A ، وهو ترانزستور NPN منخفض الإشارة ولكن مع استجابة سريعة أو تردد عالٍ.

تحتوي الدائرة أيضًا على مفتاح S ، وملف أساسي من 3 لفات L1 وملف ثانوي L2 يبلغ 275 لفة كحد أدنى ، ولكن يمكن أيضًا أن يكون بين 300 و 400 دورة.

يمكن بناء الملف الأساسي بسلك مشترك مع عزل بلاستيكي ، لكن الملف الثانوي يتطلب سلكًا رقيقًا مغطى بورنيش عازل ، وهو السلك المستخدم عادةً في اللفات. يمكن عمل اللف على أنبوب من الورق المقوى أو البلاستيك يتراوح قطره بين 3 و 4 سم.

باستخدام الترانزستور

يجب أن نتذكر أنه في زمن نيكولا تيسلا لم يكن هناك ترانزستورات. في هذه الحالة ، يحل الترانزستور محل "فجوة الشرارة" أو "المتفجر" من الإصدار الأصلي. سيتم استخدام الترانزستور كبوابة تسمح بمرور التيار أم لا. لهذا ، يتم استقطاب الترانزستور على النحو التالي: المجمع ج إلى الطرف الموجب والباعث e إلى الطرف السالب للبطارية.

عندما يكون للقاعدة b استقطاب إيجابي ، فإنه يسمح بمرور التيار من المجمع إلى الباعث ، وإلا فإنه يمنعه.

في مخططنا ، يتم توصيل القاعدة بالبطارية الموجبة ، ولكن يتم إدخال مقاوم 22 كيلو أوم للحد من التيار الزائد الذي يمكن أن يحرق الترانزستور.

تعرض الدائرة أيضًا الصمام الثنائي LED الذي يمكن أن يكون أحمر. سيتم شرح وظيفتها لاحقًا.

في الطرف الحر للملف الثانوي L2 يتم وضع كرة معدنية صغيرة ، والتي يمكن تصنيعها عن طريق تغطية كرة بوليسترين أو كرة بونج برقائق الألمنيوم.

هذه الكرة هي لوحة المكثف C ، واللوحة الأخرى هي البيئة. وهذا ما يعرف بالقدرة الطفيلية.

كيف يعمل Mini Tesla Coil

عندما يكون المفتاح S مغلقًا ، تكون قاعدة الترانزستور منحازة بشكل إيجابي ، ويكون الطرف العلوي للملف الأساسي أيضًا متحيزًا بشكل إيجابي. لذلك يظهر تيار بشكل مفاجئ يمر عبر الملف الأساسي ، ويستمر عبر المجمع ، ويترك الباعث ، ويعود إلى البطارية.

ينمو هذا التيار من صفر إلى قيمة قصوى في وقت قصير جدًا ، وهذا هو السبب في أنه يولد قوة دافعة كهربائية في الملف الثانوي. ينتج عن هذا تيار ينتقل من أسفل ملف L2 إلى قاعدة الترانزستور. يوقف هذا التيار فجأة الاستقطاب الإيجابي للقاعدة بحيث يتدفق التيار عبر نقاط التوقف الأولية.

في بعض الإصدارات ، تتم إزالة الصمام الثنائي وتعمل الدائرة. ومع ذلك ، فإن وضعه يحسن الكفاءة في قطع انحياز قاعدة الترانزستور.

ماذا يحدث عندما يدور التيار؟

خلال دورة النمو السريع للتيار في الدائرة الأولية ، تم إحداث قوة دافعة كهربائية في الملف الثانوي. نظرًا لأن نسبة المنعطفات بين الابتدائي والثانوي هي 3 إلى 275 ، فإن الطرف الحر للملف L2 له جهد 825 فولت فيما يتعلق بالأرض.

نتيجة لما سبق ، يتم إنتاج مجال كهربائي مكثف في مجال المكثف C القادر على تأين الغاز عند ضغط منخفض في أنبوب نيون أو مصباح فلورسنت يقترب من الكرة C ويسرع الإلكترونات الحرة داخل الأنبوب. لإثارة الذرات التي تنتج انبعاث الضوء.

نظرًا لأن التيار توقف فجأة من خلال الملف L1 والملف L2 الذي يتم تفريغه عبر الهواء المحيط بـ C باتجاه الأرض ، يتم إعادة تشغيل الدورة.

النقطة المهمة في هذا النوع من الدوائر هي أن كل شيء يحدث في وقت قصير جدًا ، بحيث يكون لديك مذبذب عالي التردد. في هذا النوع من الدوائر ، تكون الرفرفة أو التذبذب السريع الناتج عن الترانزستور أكثر أهمية من ظاهرة الرنين الموصوفة في القسم السابق والإشارة إلى الإصدار الأصلي من ملف تسلا.

التجارب المقترحة مع ملفات تسلا المصغرة

بمجرد بناء ملف Tesla المصغر ، يمكن تجربته. من الواضح أنه لن يتم إنتاج البرق والشرر من النسخ الأصلية.

ومع ذلك ، بمساعدة لمبة الفلورسنت أو أنبوب النيون ، يمكننا أن نلاحظ كيف أن التأثير المشترك للحقل الكهربائي المكثف المتولد في المكثف في نهاية الملف والتردد العالي للتذبذب لهذا المجال ، يجعل المصباح تضيء بمجرد الاقتراب من مجال المكثف.

يؤين المجال الكهربائي القوي غاز الضغط المنخفض داخل الأنبوب ، تاركًا الإلكترونات الحرة داخل الغاز. وبالتالي ، فإن التردد العالي للدائرة يؤدي إلى تسريع الإلكترونات الحرة داخل الأنبوب الفلوري وإثارة مسحوق الفلورسنت الملتصق بالجدار الداخلي للأنبوب ، مما يؤدي إلى انبعاث الضوء.

يمكنك أيضًا تقريب مؤشر LED المضيء من الكرة C ، مع ملاحظة كيف يضيء حتى في حالة عدم توصيل دبابيس LED.

المراجع

1. بليك ، نظرية لفائف تيسلا. تم الاسترجاع من: tb3.com.
2. Burnett، R. تشغيل ملف تسلا. تم الاسترجاع من: richieburnett.co.uk.
3. Tippens ، P. 2011. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات. الإصدار السابع. ماكجرو هيل. 626-628.
4. جامعة ويسكونسن ماديسون. لفائف تسلا. تم الاسترجاع من: wonders.physics.wisc.edu.
5. ويكي واند. لفائف تسلا. تم الاسترجاع من: wikiwand.com.