特斯拉线圈制作小组实验报告.doc

特斯拉线圈制作小组实验报告一、实验目的制作一个火花间隙特斯拉线圈（SGTC），借此过程探究电磁共振并提高动手能力、团队协作能力。二、实验准备1） 工作原理火花间隙特斯拉线圈由一个感应圈、变压器、打火器、两个电容器和一个初级线圈及几圈的互感器组成。它是一个使用变压器使普通电压升压，然后经由两极线圈,从放电终端放电的设备。通俗一点说，它是一个人工闪电制造器。开始工作后，未打火时能量由变压器传递到电容阵；当电容阵充电完毕，两极电压达到击穿打火器中的缝隙的电压时，打火器打火。此时电容阵与主线圈形成回路，完成LC振荡，进而将能量传递到次级线圈。这种装置可以产生频率很高的高压电流。2） 工作过程首先，交流电经过升压变压器升至2000V以上（可以击穿空气），然后经过由四个（或四组）高压二极管组成的全波整流桥，给主电容（C1）充电。打火器由两个光滑表面构成，它们之间有几毫米的间距，具体的间距要由高压输出端电压决定。当主电容两个极板之间的电势差达到一定程度时，会击穿打火器处的空气，和初级线圈（L1，一个电感）构成一个LC振荡回路。这时，由于LC振荡，会产生一定频率的高频电磁波，通常在100kHz到1.5MHz之间。放电顶端（C2）是一个有一定表面积且导电的光滑物体，它和地面形成了一个“对地等效电容”，对地等效电容和次级线圈（L2，一个电感）也会形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时，在打火器打通的时候，初级线圈发出的电磁波的大部分会被次级的LC振荡回路吸收。从理论上讲，放电顶端和地面的电势差是无限大的，因此在次级线圈的回路里面会产生高压小电流的高频交流电（频率和LC振荡频率一致），此时放电顶端会和附近接地的物体放出一道电弧。尽管从理论上讲，放电顶端和地面的电势差为无限大，但是在实际上电弧的长度不会无限大，它受到供电电源（升压变压器）的功率限制。如果初级LC振荡回路和次级LC振荡回路的LC振荡频率完全一致，即所谓的“谐振”状态，则此时电弧长度会达到最长且效率最高。如果不谐振（初级和次级频率不相等），电弧长度将无法达到预想的结果。3） 总电路图4） 器材准备1、 彩电高压包一个2、 直径0.25mm铜漆包线200m3、 直径2mm铜漆包线3m4、 球直径12cm空心金属球一个5、 直径5cm、长30cmPVC管一根6、 2N3055三极管一个7、 240，5W及27，1W电阻各一个8、 塑料绝缘电路板一块9、 有机玻璃板一块10、 12V，20A蓄电池11、 直径1mm漆包线数米12、 25个普通电容13、 30个MKPH电容14、 散热风扇一个15、 其他工具：胶水、尖嘴钳、老虎钳、胶枪、电烙铁、剪刀及其他加工工具三、 制作过程1）绕制线圈绕制线圈分为两部分：初级线圈和次级线圈。 绕制初级线圈时，需要将2mm漆包线绕成直径7.5cm的空心环，总计绕7圈。绕制过程中要求绕线紧密、环形精准。 成品图如下左。绕制次级线圈时，需要将0.25mm漆包线紧密环绕在PVC管上，总计绕1000圈。绕制过程中要求相邻两圈线紧密相接但是不能交叉。 成品图如上右。2）组装线圈 将金属球胶合在次级线圈的一端并使次级线圈一端与金属球良好相接。然后将次级线圈置于初级线圈之中并让次级线圈的另一端良好接地。组装完成的线圈及金属球如图。3）组装电容 将电容固定在绝缘板上。按每5个并联为一组，再将5组电容组串联的方式连接，构成主电容阵列。图见下页。图片说明： 左侧为主电容阵列；右侧为三极管及连接到三极管的电阻。 右图为电路板背面，由焊锡连接的电路。4）装配电源在高压包的磁芯上用1mm漆包线绕制两组分别为8圈和20圈的线圈，并将线圈按电路图连接在其他元件上。将蓄电池连接在电路上，并安装开关和散热风扇，完成高压电源的装配。5）制作打火器打火器是特斯拉线圈的重要组件，要求使用两个导电良好的平行放置的间距6mm到8mm的光滑平面。为了方便调节间距，我们在PVC管上钉上两个可调螺丝，制成了打火器（见下图）。6）组装 将所有部件按电路图组装，使线圈处于随时可以工作状态。完成图如下。左图为线圈及打火器；右图为电源。 7）调试 原来使用的普通电容抗压小，电容存电量不够，在几次实验中有多个电容损坏，导致电弧长度受限。小组经过讨论决定更换更好的MPKH电容，并采用十五个一组串联，再将两组串联的方式连接；两组电容间用瓷砖绝缘，避免在高压下被击穿。图见下右。经过这几次实验，我们发现最初绕制的初级线圈形状不符合要求，磁感不强，导致初级LC震荡与次级LC震荡的频率不一致，无法形成谐振。反复的调试也使外绝缘层有一点破损，对电弧长度产生一定影响。在后来更换电容后，强大的电流击穿了初级线圈和次级线圈间的空气，导致实验失败。小组经讨论决定更换初级线圈，采用铜芯导线，并用木棒间隔两厘米钻孔固定，采用盘状电容。后经研究实验发现，盘状电容的最小内径越大，磁感越强，于是我们增大了线圈的最小内径，最终取得成功，得到较长电弧，验证了我们的猜想。图见下左。改进后的设备如右图。四、实验结果打开开关后，打火器发出较响的嗞嗞声，在两个螺钉间有蓝色电火花间断闪烁。用接地的导体靠近金属球，在金属球与导体之间会出现数道蓝紫色电弧，电弧数量视导体尖端数量不等。电弧长度多数为5cm到10cm，最长可达到13cm。关闭电源后，用手触摸感觉到三极管明显发热。经试验，电弧能够击穿一次性纸杯，并在一定距离内隔空点亮节能灯泡，达到理论计算的电压和频率，符合特斯拉线圈的设计要求（隔空输电）。 以上图片为工作中的特斯拉线圈，从左至右依次为点亮灯泡、拉出长电弧、拉出两道电弧、工作中的散热风扇。本次实验达到实验目的，实验成功。五、实验感想 通过本次实验，小组成员了解了