Tesla cievky
Teslova cievka je jedným z najznámejších vynálezov Nikolu Teslu. Ide v podstate o vysokofrekvenčný transformátor vzduchového jadra. Preberá výstup zo 120 V AC na niekoľko kilovoltový obvod transformátora a ovládača a zvyšuje ho na extrémne vysoké napätie. Napätia môžu byť vysoko nad 1 000 000 voltov a vybíjajú sa vo forme elektrických oblúkov. Samotný Tesla dostal oblúky až do 100 000 000 voltov.
Svoju Teslovu cievku vynašiel okolo roku 1891, keď opakoval a potom rozširoval experimenty Heinricha Hertza, ktoré tri roky predtým objavili elektromagnetické žiarenie. Tesla sa rozhodol napájať svoje nastavenie pomocou vysokorýchlostného alternátora, ktorý vyvíjal ako súčasť vylepšeného systému oblúkového osvetlenia, ale zistil, že vysokofrekvenčný prúd prehrieva železné jadro a roztaví izoláciu medzi primárnym a sekundárnym vinutím v pôvodne použitej Ruhmkorffovej cievke. v nastavení Hertz. Na vyriešenie tohto problému Tesla zmenil dizajn tak, že medzi primárnym a sekundárnym vinutím bola vzduchová medzera namiesto izolačného materiálu a urobil to tak, aby sa železné jadro mohlo pohybovať do rôznych polôh v cievke alebo mimo nej. Tesla tiež zistil, že potrebuje vložiť kondenzátor bežne používaný v takýchto zostavách medzi jeho alternátor a primárne vinutie cievky, aby sa zabránilo vyhoreniu cievky. Upravením cievky a kondenzátora Tesla zistil, že môže využiť rezonanciu nastavenú medzi nimi na dosiahnutie ešte vyšších frekvencií.
V Teslovom cievkovom transformátore sa kondenzátor po prerušení krátkeho iskriska pripojil k niekoľkozávitovej cievke (sada primárneho vinutia), čím sa vytvoril rezonančný obvod s frekvenciou kmitania, zvyčajne 20–100 kHz, určenou kapacitou kondenzátora a indukčnosťou cievky. Kondenzátor bol nabitý na napätie potrebné na pretrhnutie vzduchu v medzere počas cyklu vstupného vedenia, asi 10 kV transformátorom napájaným zo siete zapojeným cez medzeru. Linkový transformátor bol navrhnutý tak, aby mal vyššiu zvodovú indukčnosť ako je normálna, aby toleroval skrat, ku ktorému dochádza, kým medzera zostane ionizovaná, alebo na niekoľko milisekúnd, kým vysokofrekvenčný prúd nezmizne.
Iskrisko je nastavené tak, že k jeho rozpadu dochádza pri napätí o niečo nižšom, ako je špičkové výstupné napätie transformátora, aby sa maximalizovalo napätie na kondenzátore. Náhly prúd cez iskrisko spôsobí, že primárny rezonančný obvod zazvoní na svojej rezonančnej frekvencii. Vyzváňacie primárne vinutie magneticky spája energiu so sekundárnym v priebehu niekoľkých RF cyklov, kým sa všetka energia, ktorá bola pôvodne v primárnom vinutí, neprenesie do sekundárneho. V ideálnom prípade by potom medzera prestala viesť (uhasiť), čím by sa všetka energia zachytila do oscilujúceho sekundárneho okruhu. Zvyčajne sa medzera znovu zapáli a energia v sekundárnom okruhu sa prenesie späť do primárneho okruhu počas niekoľkých ďalších cyklov RF. Cyklovanie energie sa môže niekoľkokrát opakovať, kým iskrisko konečne nezhasne. Akonáhle medzera prestane viesť, transformátor začne dobíjať kondenzátor. V závislosti na prieraznom napätí iskriska môže počas cyklu sieťového striedavého prúdu mnohokrát vystreliť.
Výraznejšie sekundárne vinutie s oveľa väčším počtom závitov tenšieho drôtu ako primárne bolo umiestnené tak, aby zachytilo časť magnetického poľa primárneho. Sekundárna časť bola navrhnutá tak, aby mala rovnakú rezonančnú frekvenciu ako primárna s použitím len rozptylovej kapacity vinutia samotného voči zemi a ľubovoľnej „cylindrovej“ svorky umiestnenej v hornej časti sekundáru. Spodný koniec dlhej sekundárnej cievky musí byť uzemnený k okoliu.
Neskoršia a výkonnejšia konštrukcia cievky má jednovrstvový primár a sekundárny. Tieto Tesla cievky často používajú fanúšikovia a na miestach, ako sú vedecké múzeá, na výrobu dlhých iskier. Americký elektrikár uvádza popis ranej Teslovej cievky, v ktorej je sklenená batériová nádoba s rozmermi 15 × 20 cm (6 × 8 palcov) navinutá 60 až 80 otáčkami magnetického drôtu AWG č. 18 B & S (0,823 mm²). Do toho sa zasunie primár pozostávajúci z ôsmich až desiatich závitov drôtu AWG č. 6 B & S (13,3 mm2) a celá kombinácia sa ponorí do nádoby s ľanovým semiačkami alebo minerálnym olejom.
http://www.tfcbooks.com/mall/more/371tcbg.htm
Pred zostrojením našej prvej lupy bolo potrebné zvládnuť klasickú Teslovu cievku a naučiť sa mnohé umeliny, ktoré sa neskôr dali preniesť do sofistikovanejších dizajnov. Tu vidíme vyvrcholenie mnohých Teslových cievok postavených podľa klasického dizajnu, ale zahŕňajúcich mnoho nezvyčajných funkcií, ktoré sa na takýchto systémoch často nevyskytujú. Táto cievka, “Nemesis” je schopná iskrových výstupov až 4-násobku vlastnej 46“ dĺžky sekundárnej cievky! Systém využíva iba kapacitu 0,09 ufd a rezonuje na frekvencii 54 kHz. Pri plnom výkone spotrebuje 11-12 kVA výkonu Najdlhšia iskra zaznamenaná z tohto systému bola 15 stôp, bod po bod.
Vidíme veľkú klasickú cievku „Nemesis“ vyskočiacu dopredu do výšky 12 alebo 13 stôp v zábere zo šikmého uhla. Úroveň výkonu bola iba 9 kVA. Iskry neustále dopadajú na stoly s nástrojmi a dokonca aj na systémové transformátory napájania (vpravo dole)! Všimnite si veľký torroid a pomerne malý sekundárny prvok s rozmermi 14” x 46“. Sekundárny je pevne vinutý magnetický drôt #18 a má indukčnosť 0,11 henry! Primárne je 11 závitov 5/8” medenej rúrky. Spojka je k = .25 čo je veľmi tesné pre klasický Tesla cievkový systém.
http://www.teslascience.org/pages/questions.htm
Tesla kládol taký dôraz na nájdenie riešenia jedného z najpálčivejších problémov svojej éry – vývoj praktického systému pre bezdrôtovú telegrafiu a telefóniu. Niektoré predbežné experimenty s vysokofrekvenčnými alternátormi pripojenými k anténe a zemi ukázali sľubné výsledky v tomto smere. Následne vymenil alternátor za svoj rezonančný transformátor a dosiahol ešte lepšie výsledky. Keď sa použil ako rádiový vysielač, ukázalo sa, že Teslov oscilátor so svojimi vyladenými primárnymi a sekundárnymi obvodmi bol schopný produkovať rádiové vlny tisíckrát silnejšie ako jednoduchý vysielač s cievkou, ktorý používal Heinrich Hertz len niekoľko rokov predtým – naozaj praktická aplikácia! (Pozri tiež:Nikola Tesla o práci so striedavými prúdmi a ich aplikácii na bezdrôtovú telegrafiu, telefóniu a prenos energie ).
Patenty na Tesla cievky
Nikola Tesla bol v roku 1890 priekopníkom elektromagnetického vysokofrekvenčného výskumu. Najpresnejší záznam Teslových výskumov v tomto období je obsiahnutý v jeho patentoch. Pri skúmaní týchto dokumentov treba oceniť, že boli často výsledkom týždňov, mesiacov alebo v niektorých prípadoch aj rokov hádok s patentovým úradom, a preto sú to zámerné a považované za spisy.
Pre tých, ktorí nie sú oboznámení so životom a dielom Nikolu Teslu, je asi fér povedať, že si ho najviac pamätáme ako otca modernej elektriny, ako priekopníka distribúcie striedavého prúdu. V tejto fáze svojho výskumu vykonal počiatočné testy v nízkych stovkách Hertzov a jeho neskoršie vysokofrekvenčné výskumy, ktorých sa týka tento článok, boli prirodzeným rozšírením tejto práce.
Prvým špecificky vysokofrekvenčným podaním je patent US 462 418 – Spôsob a zariadenie na elektrickú konverziu a distribúciu – 3. novembra 1891. Dokument, na ktorý sa Tesla často krížovo odvoláva, vediac, že ide o úplne nový typ vysokofrekvenčného osvetľovacieho systému . Tesla v ňom s hrdosťou uvádza dve výrazné novinky, po prvé dosiahnutú rýchlosť prepínania, po druhé nový spôsob výroby a rozbitia. Tesla vyvinul obvod nabíjania kondenzátora, pomocou ktorého sa napätie v kondenzátore akumulovalo, kým nebolo dostatočné na prerušenie dielektrickej vzduchovej medzery.
Princípy v skutočnosti nemožno lepšie ilustrovať ako odkazom na obrázok C, prispôsobenú ilustráciu prevzatú priamo zo samotného pôvodného patentu. Šípková dráha obvodu je znázornená na objasnenie toho, ako rozpad dielektrika vzduchovej medzery D dočasne mení dráhu prúdu obvodu a smeruje nahromadený náboj cez záťaž (záťaže) G.
Nasledovala séria ďalších patentov na vývoj zariadenia. Všetky tieto sú pre bipolárne cievky: oba konce sekundárneho sú pripojené k pracovnému obvodu (zvyčajne lampy), na rozdiel od monopolárneho formátu, ktorý uprednostňujú dnešní stavitelia suterénov, v ktorom je horná časť spojená s guľovým alebo iným koncovým kondenzátorom, dno na zem. Monopolárny formát sa objavuje neskôr v patentoch na rádiové a bezdrôtové napájanie, vrátane Teslovho zväčšovacieho vysielača.
Patentový výkres ukazuje vyvinutú bipolárnu cievku využívajúcu tandemové tlmivky na ukladanie energie na náhle uvoľnenie do kondenzátora, čo umožňuje napájanie zariadenia z relatívne skromných vstupov. Tlmivky sú cievky navinuté na železných jadrách. Ukladajú energiu ako magnetizmus. Keď sa nabíjací prúd preruší, magnetické pole sa zrúti a indukuje prúd v cievkach, ktorý sa vrhne do nabitia kondenzátorov.
Na základe podobného súboru princípov bol patent US 454 622 - Systém elektrického osvetlenia - 23. júna 1891, znázornený priamo z patentu na obrázku 2. Používa sa rovnaký nový spôsob vytvárania a rozbíjania, avšak so zvýšeným transformátorom na výstupných cievkach, ktoré sa používajú na poskytovanie vysokonapäťovej energie pre fluorescenčné svetlá, alebo, ako to bolo tiež bežne znázornené v neskorších patentoch, vákuové trubice. V tomto druhom patente po prvý raz jasne vidíme všetky základy 'Teslovej cievky.' Toto zariadenie je rezonančný transformátor so vzduchovým jadrom, ktorý sa dodnes používa v televízii, rádiu, automobilovom priemysle a iných priemyselných odvetviach na zvýšenie relatívne nízkeho vstupného napätia na relatívne vysoký výstup.
US454,622 – Systém elektrického osvetlenia – 23. jún 1891 (prihláška podaná 25. apríla 1891)
Indukčná cievka PS vytvára vysoké sekundárne napätie, ktoré nabíja kondenzátor C, až kým vo vzduchovej medzere a nevznikne iskra. Výbojový prúd preteká vzduchovou medzerou a primárom vysokofrekvenčnej indukčnej cievky P'. Výboj kondenzátora sa v tomto prípade líši od výboja cez cievku s ohmickým odporom, ktorú študoval Henry, už v tom čase. V Teslovom oscilátore sa postupne prenáša energia vysokofrekvenčných kmitov v primárnom okruhu.
Po privedení energie do sekundárneho okruhu sa zostávajúca energia vracia do primárneho okruhu, potom späť do sekundárneho okruhu a tak ďalej, kým ju straty neznížia dostatočne na prerušenie iskry cez a v primárnom okruhu. Potom sa kondenzátor C začne nabíjať zo zdroja G cez indukčnú cievku (transformátor) PS. Oberbeck publikoval teoretickú analýzu Teslovho oscilátora v roku 1895.
Oscilátor premieňa nízkofrekvenčné prúdy na “prúd s veľmi vysokou frekvenciou a veľmi vysokým potenciálom”, ktorý potom napája jednopólové lampy.
Účinok, ktorý Tesla objavil s týmto prístrojom, bol taký, že pri frekvencii približne 20 kHz a 20 000 V by takýto prúd aplikovaný na žiarovku spôsobil, že by sa nerozsvietila bežným spôsobom, ktorý Edison presadil, ale skôr ako plazmová žiarovka. Dnes takéto zariadenia nazývame fluorescenčné svetlá, a to je pôvod tejto technológie. Ako bolo zvykom, Tesla predbehol svoju dobu a táto technológia si získala popularitu len pomerne nedávno. Aj keď sa slovo „Tesla cievka“ v patentoch priamo nevyskytuje, tých niekoľko otočení primárne a mnohé sekundárne je nezameniteľné. Ak existuje ústredná téma Teslových vysokofrekvenčných výskumov v 90. rokoch 19. storočia, je to určite jeho milovaná Teslova cievka, a tu sa prvýkrát objavila a napájala žiarivky.
US512,340 - Cievka pre elektromagnety - 9. januára 1894
Zdá sa, že „nová myšlienka“ tohto patentu spočíva v tom, že induktory majú vlastnú kapacitu. Na rozdiel od bežnej cievky vyrobenej otáčaním drôtu na rúrkovej forme, táto používa dva drôty položené vedľa seba na forme, ale s koncom prvého spojeného so začiatkom druhého. Tesla zamýšľal (a uviedol), že tieto cievky zrušia samoindukciu, čo v bežnej elektrotechnickej vede znamená, že indukčná impedancia je zrušená kapacitnou indukčnosťou, takže ide o samorezonančné zariadenie (má svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu).
Tesla našiel vo svojej dobe spôsob, ako mať rezonančný obvod, ktorý ak je správne vypočítaný a skonštruovaný, bez ohľadu na to, čo ho vzruší, bude rezonovať na zamýšľanej frekvencii. Účinnosť toho, ako je uvedené vo výpočte vykonanom v patente, je ohromujúca a jedinou stratou bol odpor drôtu. Menší odpor, menšie straty.
US568,177- Zariadenie na výrobu ozónu - 22. septembra 1896.
Tieto dva patenty US454,622 a US568,177 sú obzvlášť dôležité, pretože pomáhajú vysvetliť, odkiaľ sa vzali moderné myšlienky o tom, čo tvorí Teslova cievka. Všeobecne uznávané predstavy o tom, čo tvorí Teslovu cievku, sú odvodené od týchto dvoch patentov, ako ich čiastočne spopularizoval lord Kelvin, ktorý navštívil Teslove laboratóriá. AC vstup, nabíjanie kondenzátora, komutácia vzduchovej medzery v kombinácii s klasickým vysokonapäťovým výstupom transformátora na zvýšenie vzduchového jadra.
Pozorné prečítanie neskorších vysokofrekvenčných patentov, ktoré Tesla podal, však ukazuje, že koncepcia Teslovej cievky v 90. rokoch 19. storočia prešla značným vývojom a prístroj, ktorý Tesla vyrábal v roku 1897, sa výrazne líšil od prístroja, ktorý vyrábal v roku 1892. Neskorší prístroj bol v skutočnosti jednosmerný pulzný cievkový prístroj. Išlo o prirodzený vývoj, pretože požiadavky na optimalizáciu efektu spätného emf výboja sú viac-menej identické s prístrojom a metodikou priekopníkov v pôvodnom prístroji s Teslovou cievkou.
Patentový výkres z roku 1896 ukazuje vyvinutú bipolárnu cievku využívajúcu tandemové tlmivky na ukladanie energie na náhle uvoľnenie do kondenzátora, čo umožňuje napájanie zariadenia z relatívne skromných vstupov.
V prípade bipolárnych cievok sú oba konce sekundáru pripojené k pracovnému obvodu (zvyčajne lampy), na rozdiel od monopolárneho formátu, ktorý uprednostňujú dnešní stavitelia suterénov, v ktorom je horná časť spojená s guľovým alebo iným koncovým kondenzátorom, spodná časť k zemi. Monopolárny formát sa objavuje neskôr v patentoch na rádiové a bezdrôtové napájanie, vrátane Teslovho zväčšovacieho vysielača.
Tlmivky sú cievky navinuté na železných jadrách. Ukladajú energiu ako magnetizmus. Keď sa nabíjací prúd preruší, magnetické pole sa zrúti a indukuje prúd v cievkach, ktorý sa vrhne do nabitia kondenzátorov.
US593,138 - Elektrický transformátor - 2. novembra 1897
Systém na premenu a prenos elektrickej energie. Pri prevádzke rôznych zariadení s jeho vysokofrekvenčným napájaním pomocou iba jedného spojovacieho vodiča si uvedomil, že záťaž môže byť umiestnená v určitej vzdialenosti od napájacieho zdroja a stále správne fungovať. Tesla to nazval prenos elektrickej energie cez jeden drôt bez návratu. Namiesto použitia jednotlivých dosiek kondenzátora na vysielacom a prijímacom konci je tiež možné vytvoriť spojenie priamo so zemou. V tomto prípade je elektrický obvod úplne dokončený cez samotnú zem. Sprievodná ilustrácia jednovodičového systému prenosu energie pochádza z Teslovho US593,138 – Electrical Transformer – 2. novembra 1897, ktorý pokrýva rezonančný transformátor Teslovej cievky.
Prístroj použitý pri demonštrácii patentového úradu v roku 1898 v laboratóriu na ulici Houston zahŕňal prenos elektrickej energie v priemyselných množstvách cez vzácne médium so zemou pre návrat.
US1,119,732 – Prístroj na prenos elektrickej energie – 1. december 1914
V tomto patente už nehovorí o energii vysielanej cez horné vrstvy atmosféry, ale o uzemnenom rezonančnom okruhu. Tesla predpovedal, že jeho zväčšovací vysielač sa ukáže ako najdôležitejší a najcennejší pre budúce generácie, že spôsobí priemyselnú revolúciu a umožní veľké humanitárne úspechy.
Zdroj: https://teslaresearch.jimdofree.com/tesla-coils/
Zdroj: http://www.energeticforum.com/renewable-energy/4628-teslas-mysterious-phantom-streams.html?s=3a857224109d805649f530f1518968ef!
Zdroj: https://www.physicsforums.com/threads/tesla-coil-for-electromagnets.486908/
Zdroj: http://altered-states.net/barry/tesla