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首先说明，特斯拉线圈和开锁没有一毛钱的关系

特斯拉线圈

特斯拉线圈在Questacon -在国家科技中心堪培拉，澳大利亚用途应用于教育演示，新奇照明，音乐发明者尼古拉·特斯拉相关项目变压器，电磁场，共振

甲泰斯拉线圈是电谐振变压器电路由发明人设计的特斯拉在1891 [1] [2]它是用来产生高电压，低电流，高频率的交流电力。[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]特斯拉尝试了许多不同的配置，包括两个，有时三个耦合的谐振电路。

特斯拉使用这些电路进行电气照明，磷光，X射线生成，高频交流电现象，电疗以及无电线传输电能的创新实验。特斯拉线圈电路在商业上用于无线电报的sparkgap无线电发射机，直到20世纪20年代，[1] [10] [11] [12] [13] [14]和医疗设备，如电疗和紫外线设备。今天，它们主要用于娱乐和教育显示，尽管小线圈仍然用作高真空系统的检漏仪。[9]

内容

1操作

1.1谐振变压器
1.2操作周期
1.3振荡频率
1.4输出电压
1.5顶部负载或“环形”电极

2种类型
3历史
4个现代特斯拉线圈

4.1初次切换

5设计的实际方面

5.1.1调整
5.1.2空气排放
5.1高压生产

6申请

6.1教育和娱乐
6.2真空系统检漏仪

7健康危害

7.1皮肤效应神话

8相关专利
9另见
10参考文献
11进一步阅读
12外部链接

操作[ 编辑]

运行中的自制特斯拉线圈，显示从环形线圈的刷子放电。高电场使高压端子周围的空气电离并导电，使电能在彩色电晕放电，电刷放电和流光电弧中泄漏到空气中。特斯拉线圈用于科学博物馆和公共活动的娱乐，以及电影和电视中的特殊效果。

特斯拉线圈是一种射频振荡器，可驱动空芯双调谐振变压器，在低电流时产生高压。[10] [15] [16] [17] [18] [19]特斯拉的原始电路以及大多数现代线圈使用简单的火花隙来激发调谐变压器中的振荡。更复杂的设计使用晶体管或晶闸管[15]开关或真空管电子振荡器来驱动谐振变压器。

特斯拉线圈可以为大线圈产生50 千伏到几百伏的输出电压。[15] [17] [19]交流电输出处于低射频范围，通常在50 kHz和1 MHz之间。[17] [19]虽然一些振荡器驱动的线圈产生连续的交流电，但大多数特斯拉线圈都有脉冲输出; [15]高压由快速串行的射频交流电脉冲组成。

常见的火花激发特斯拉线圈电路如下所示，由以下部分组成：[16] [20]

高压电源变压器（T），用于将交流电源电压提升到足够高的电压以跳过火花隙。典型电压在5到30千伏（kV）之间。[20]
甲电容器（C1），其形成一个调谐电路与所述初级绕组 L1特斯拉变压器的
甲火花隙（SG）充当在初级电路中的开关
特斯拉线圈（L1，L2），一种空芯双调谐振变压器，可产生高输出电压。
可选地，平滑金属球或环面形式的电容电极（顶部负载）（E）连接到线圈的次级端子。其较大的表面积可抑制过早的空气击穿和电弧放电，从而增加Q因子和输出电压。

谐振变压器[ 编辑]

更多信息：谐振电感耦合更多信息：变压器类型§谐振变压器

单极特斯拉线圈电路。C2不是实际的电容器，而是表示次级绕组L2的电容，加上环形电极E的对地寄生电容。

次级的更详细的等效电路显示了各种杂散电容的贡献。

特斯拉线圈电路中使用的专用变压器，称为谐振变压器，振荡变压器或射频（RF）变压器，其功能与交流电源电路中使用的普通变压器不同。[21] [22] [23]虽然普通变压器设计用于有效地将能量从初级绕组传输到次级绕组，但谐振变压器也设计用于临时存储电能。每个绕组都有一个电容，用作LC电路（谐振电路，调谐电路），存储振荡电能，类似于音叉。由相对较少匝的重铜线或管组成的初级线圈（L1）通过火花隙（SG）连接到电容器（C1 ）。[15] [16]所述的二次线圈（L2）包括许多匝初级内部中空的圆筒形状上细金属丝的（数百至数千）的。二次未连接到一个实际的电容器，但它也用作LC电路，的电感（L2）与杂散电容谐振（C2），杂散的总和寄生电容在线圈的绕组之间，以及连接到高压端子的环形金属电极的电容。调节初级和次级电路，使它们以相同的频率谐振，它们具有相同的谐振频率。这允许它们交换能量，因此振荡电流在初级和次级线圈之间来回交替。

线圈的独特设计取决于在高频下实现低电阻能量损耗（高Q因数）的需要，[17]这导致最大的二次电压：

普通的电力变压器具有铁芯以增加线圈之间的磁耦合。然而，在高频时，铁芯会因涡流和磁滞而导致能量损失，因此不会在特斯拉线圈中使用。[23]
普通变压器设计为“紧密耦合”。由于铁芯和绕组的紧密接近，它们具有高的互感（M），耦合系数接近于0.95-1.0的单位，这意味着初级绕组的几乎所有磁场都通过次级绕组。[21] [23]相比之下，特斯拉变压器“松散耦合”，[15] [23]初级绕组直径较大，与次级绕组间隔开[16]，因此互感较低，耦合系数较小仅为0.05至0.2。[24]这意味着初级线圈的磁场中只有5％到20％在开路时通过次级线圈。[15] [20]松耦合减慢了初级和次级线圈之间的能量交换，这使得振荡能量在返回初级线圈之前更长时间地停留在次级线路中，并开始在火花中消散。
每个绕组也限于单层导线，这减少了邻近效应损失。初级带有非常高的电流。由于高频电流主要由于趋肤效应而在导体表面上流动，因此通常由铜管或具有大表面积的条带制成以减小电阻，并且其匝间隔开，这减少了邻近效应损失和转弯之间的电弧放电。[25] [26]

单极线圈设计广泛用于现代线圈。主要是底部的扁平红色螺旋缠绕，次要是用细红色线缠绕的垂直圆柱形线圈。高压端子是次级线圈顶部的铝环。

双极线圈，用于20世纪初。有两个高压输出端子，每个端子连接到次级的一端，它们之间有一个火花隙。初级是12匝重线，它位于次级线的中点，以阻止线圈之间的电弧。

输出电路可以有两种形式：

单极 - 次级绕组的一端连接到单个高压端子，另一端接地。这种类型用于为娱乐而设计的现代线圈。初级绕组位于次级的底部低电位端附近，以最小化绕组之间的电弧。由于地（地球）用作高压的返回路径，因此来自终端的拖缆弧倾向于跳到任何附近的接地物体。
双极性 - 次级绕组的两端都没有接地，两者都被带到高压端子。初级绕组位于次级线圈的中心，在两个高电位端子之间等距，以阻止电弧放电。

操作周期[ 编辑]

电路以快速，重复的周期运行，其中电源变压器（T）向主电容器（C1 ）充电，然后通过火花隙向火花放电，在初级电路中产生短暂的振荡电流脉冲，激励次级上的高振荡电压：[18] [20] [23] [27]

来自电源变压器（T）的电流将电容器（C1）充电至高电压。
当电容器两端的电压达到火花隙（SG）的击穿电压时，火花开始，将火花隙电阻降低到非常低的值。这样就完成了初级电路，来自电容器的电流流过初级线圈（L1）。电流通过线圈在电容器的极板之间快速地来回流动，在电路的谐振频率下在初级电路中产生射频振荡电流。
振荡磁场的初级线圈的感应在次级绕组的振荡电流（L2），由感应的法拉第定律。在多个周期中，初级电路中的能量被转移到次级。调谐电路中的总能量限于最初存储在电容器C1中的能量，因此次级中的振荡电压幅度增加（“振铃”），初级中的振荡减小到零（“振铃”）。虽然次级线圈的末端是开路的，但由于电容（C2），寄生电容的总和，它也可以作为调谐电路。在线圈的匝数加上环形电极E的电容之间。电流在其两端之间快速地来回流过次级线圈。由于电容小，出现在输出端子上的次级线圈上的振荡电压远大于初级电压。
次级电流产生磁场，该磁场在初级线圈中感应回电压，并且在多个额外的循环中，能量被传递回初级线圈。该过程重复，能量在初级和次级调谐电路之间快速地来回移动。由于火花隙中的热量和线圈的电阻消耗的能量，初级和次级中的振荡电流逐渐消失（“振铃”）。
当通过火花隙的电流不再足以使间隙中的空气保持电离时，火花停止（“熄灭”），终止初级电路中的电流。次级中的振荡电流可以持续一段时间。
来自电源变压器的电流再次开始对电容器C1充电，并且循环重复。

整个循环非常迅速地发生，振荡在大约一毫秒的时间内消失。穿过火花隙的每个火花在线圈的输出端产生一个阻尼正弦高压脉冲。每个脉冲在下一个火花发生之前消失，因此线圈产生一串阻尼波，而不是连续的正弦电压。[18]供电变压器为电容器充电的高压是50或60 Hz 正弦波。根据火花隙的设定方式，通常在电源电流的每个半周期的峰值处出现一个或两个火花，因此每秒有超过一百个火花。因此，火花隙处的火花看起来是连续的，来自线圈顶部的高压拖缆也是如此。

电源变压器（T）次级绕组连接在初级调谐电路两端。看起来变压器可能是RF电流的泄漏路径，从而抑制振荡。然而，它的大电感使其在谐振频率下具有非常高的阻抗，因此它充当振荡电流的开路。如果电源变压器的漏感不足，则在其次级引线中放置射频扼流圈以阻断RF电流。

振荡频率[ 编辑]

为了产生最大输出电压，调节初级和次级调谐电路以使它们彼此谐振。[17] [18] [21] [28] 由于次级电路通常是不可调节的，这通常通过可调节的抽头来完成{\ displaystyle L1 \，}

，初级线圈。

如果两个线圈是分开的，则初级和次级电路的谐振频率，{\ displaystyle f_ {1}}

和 {\ displaystyle f_ {2}}

，将由每个电路中的电感和电容决定

{\ displaystyle f_ {1} = {1 \ over 2 \ pi} {\ sqrt {1 \ over L_ {1} C_ {1}}} \ qquad \ qquad f_ {2} = {1 \ over 2 \ pi} {\ sqrt {1 \ over L_ {2} C_ {2}}} \，}

然而，因为它们耦合在一起，所以次级谐振的频率受初级电路和耦合系数的影响{\ displaystyle k}

并且以其反谐振频率发生，而原始谐振频率充当反谐振频率。必须驱动线圈的频率是串联谐振频率。[29] [30]

{\ displaystyle f_ {2}'= {1 \ over 2 \ pi} {\ sqrt {1 \ over（1-k ^ {2}）L_ {2} C_ {2}}} \，}

因此谐振和最高电压发生时

{\ displaystyle {1 \ over 2 \ pi} {\ sqrt {1 \ over L_ {1} C_ {1}}} = {1 \ over 2 \ pi} {\ sqrt {1 \ over（1-k ^ { 2}）L_ {2} C_ {2}}} \，}

因此，初级和次级之间的共振条件是

{\ displaystyle L_ {1} C_ {1} =（1-k ^ {2}）L_ {2} C_ {2} \，}

然而，特斯拉变压器非常松散耦合，并且耦合系数很大 {\ displaystyle k \，}

很小，在0.05到0.4的范围内。所以这个因素{\ displaystyle {\ sqrt {1-k ^ {2}}} \，}

接近于单位，0.917到0.999，因此两个共振频率最多相差8％。因此，大多数信号源[17] [18] [21] 表明，当初级和次级的谐振频率相等时，变压器会发生谐振。

特斯拉线圈的谐振频率处于低射频（RF）范围，通常在50 kHz和1 MHz之间。然而，由于火花的冲动性质，它们产生宽带无线电噪声，并且没有屏蔽可能是RFI的重要来源，干扰附近的无线电和电视接收。

输出电压[ 编辑]

大线圈产生3.5米（10英尺）的流光弧，表明电势可达数百万伏。

在谐振变压器中，高压通过谐振产生; 输出电压与匝数比不成正比，如普通变压器。[23] [31]它可以从能量守恒中大致计算出来。在循环开始时，当火花开始时，主回路中的所有能量{\ displaystyle W_ {1}}

存储在主电容器中 {\ displaystyle C_ {1}}

。如果{\ displaystyle V_ {1}}

是火花隙击穿的电压，通常接近供电变压器T的峰值输出电压，这个能量是

{\ displaystyle W_ {1} = {1 \ over 2} C_ {1} V_ {1} ^ {2} \，}

在“振铃”期间，该能量被传递到次级电路。虽然有些因火花和其他电阻中的热量而损失，但在现代线圈中，超过85％的能量最终会在次级线圈中消失。[18]在高峰期（{\ displaystyle V_ {2}}

）次级正弦电压波形，次级的所有能量 {\ displaystyle W_ {2}}

存储在电容中 {\ displaystyle C_ {2}}

在次级线圈的两端之间

{\ displaystyle W_ {2} = {1 \ over 2} C_ {2} V_ {2} ^ {2} \，}

假设没有能量损失， {\ displaystyle W_ {2} \; = \; W_ {1}}

。代入这个方程并简化，峰值二次电压是[17] [18] [23]

{\ displaystyle V_ {2} = V_ {1} {\ sqrt {C_ {1} \ over C_ {2}}} = V_ {1} {\ sqrt {L_ {2} \ over L_ {1}}}。 }

上面的第二个公式来自第一个使用共振条件 {\ displaystyle L_ {1} C_ {1} \; = \; L_ {2} C_ {2}}

。[23]由于相比于主电容器二次线圈的电容非常小，初级电压升压到较高的值。[18]

上述峰值电压仅在不发生空气放电的线圈中实现; 在产生火花的线圈中，如娱乐线圈，端子上的峰值电压被限制在空气击穿并变得导电的电压。[18] [23] [25] 随着输出电压在每个电压脉冲期间增加，它到达高压端子旁边的空气电离并且电晕，电刷放电和流光电弧从端子断开的点。当电场强度超过介电强度时会发生这种情况空气，每厘米约30千伏。由于电场在尖点和边缘处最大，因此在高压端子上的这些点处开始空气放电。高压端子上的电压不能增加到高于空气击穿电压，因为从次级绕组泵入端子的额外电荷刚刚逸出到空气中。通过空气击穿将露天特斯拉线圈的输出电压限制在几百万伏特左右，但是通过浸没在绝缘油加压罐中的线圈可以实现更高的电压。

顶部负载或“环形”电极[ 编辑]

固态DRSSTC特斯拉线圈，尖端导线连接到环形线圈，产生电刷放电

大多数特斯拉线圈设计在高压端子上具有光滑的球形或环形金属电极。电极用作电容器的一个板，地球作为另一个板，形成具有次级绕组的调谐电路。虽然“环形”增加了二次电容，这往往会降低峰值电压，但其主要影响是其大直径曲面减小了高压端的电位梯度（电场），增加了空气放电的电压阈值。如电晕和刷子放电发生。[32]抑制过早的空气击穿和能量损失可以使电压在波形的峰值上建立更高的值，从而产生更长，更壮观的拖缆。[23]

如果顶部电极足够大且光滑，则即使在峰值电压下，其表面处的电场也可能永远不会变得足够高以引起空气击穿，并且不会发生空气放电。一些娱乐线圈具有从环面突出的尖锐“火花点”以开始放电。[32]

类型[ 编辑]

术语“特斯拉线圈”应用于许多高压谐振变压器电路。

特斯拉线圈电路可以根据它们使用的“激励”类型进行分类，使用何种类型的电路将电流施加到谐振变压器的初级绕组：[33] [34]

火花激发或火花间隙特斯拉线圈（SGTC） - 这种类型使用火花隙来切换电流脉冲通过变压器中的主要激励振荡。这种脉冲（破坏性）驱动产生脉冲高压输出。由于它们必须处理的高初级电流，火花间隙具有缺点。它们在操作时产生非常大的噪音，有害的臭氧气体和通常需要冷却系统的高温。火花中消耗的能量也会降低Q因子和输出电压。

静态火花隙 - 这是最常见的类型，在上一节中有详细描述。它用于大多数娱乐线圈。来自高压电源变压器的交流电压对电容器充电，电容器通过火花隙放电。火花率不可调，但由线路频率决定。在每个半周期可能发生多个火花，因此输出电压的脉冲可能不是等间隔的。
静态触发火花隙 - 商用和工业电路通常施加来自电源的DC电压以对电容器充电，并使用由施加到触发电极的振荡器产生的高压脉冲来触发火花。[15]这允许控制火花率和激励电压。商业火花隙通常封闭在诸如六氟化硫的绝缘气体气氛中，从而减小了长度并因此减少了火花中的能量损失。
旋转火花隙 - 它们使用火花隙，火花隙由围绕轮子周边的电极组成，电极通过电动机高速旋转，当它们通过固定电极时产生火花。特斯拉在他的大线圈上使用了这种类型，今天它们被用在大型娱乐线圈上。电极的快速分离速度快速熄灭火花，允许“第一凹口”淬火，使得更高的电压成为可能。车轮通常由同步电机驱动，因此火花与AC线路频率同步，火花发生在每个周期的AC波形上的相同点，因此主脉冲是可重复的。

开关或固态特斯拉线圈（SSTC） - 它们使用功率半导体器件，通常是晶闸管或晶体管，如MOSFET或IGBT，[15]来切换来自直流电源的电流脉冲通过初级绕组。它们提供脉冲（破坏性）激励而没有火花隙的缺点：噪音大，温度高，效率低。电压，频率和激励波形可以精确控制。SSTC用于大多数商业，工业和研究应用[15]以及更高质量的娱乐线圈。

一种简单的单谐振固态特斯拉线圈电路，其中次级的接地端将反馈电流相位提供给晶体管振荡器。

该框图说明了特斯拉线圈电流谐振型驱动电路的原理。单谐振固态特斯拉线圈（SRSSTC） - 在该电路中，初级没有电容器，因此不是调谐电路; 只有次要的是。来自开关晶体管的初级电流脉冲激励次级调谐电路中的谐振。单调谐SSTC更简单，但不具有高Q值，并且不能像DRSSTC那样从给定输入功率产生高电压。
双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC） - 该电路类似于双调谐火花激励电路，除了使用火花隙半导体开关之外。其功能类似于双调谐火花激励电路。由于初级和次级都是谐振的，因此它具有更高的Q值，并且对于给定的输入功率可以产生比SRSSTC更高的电压。
唱特斯拉线圈或音乐特斯拉线圈 - 这是一种特斯拉线圈，可以像乐器一样播放，其高压放电可以再现简单的音乐音调。施加到初级的驱动电流脉冲由固态“中断器”电路以音频速率调制，使得来自高压端子的电弧放电发出声音。到目前为止，只产生了音调和简单的和弦; 线圈不能用作扬声器，再现复杂的音乐或声音。声音输出由通过 MIDI接口应用于电路的键盘或 MIDI文件控制。已经使用了两种调制技术：AM（幅度调制激励电压）和PFM（脉冲频率调制）。这些主要是作为娱乐的新奇。

连续波 - 在这些变压器中，变压器由反馈振荡器驱动，该振荡器将正弦电流施加到变压器。初级调谐电路用作振荡器的振荡电路，电路类似于无线电发射器。与之前产生脉冲输出的电路不同，它们产生连续的正弦波输出。功率真空管通常用作有源器件而不是晶体管，因为它们更坚固并且容许过载。通常，连续激励从给定输入功率产生比脉冲激励更低的输出电压。

特斯拉电路也可以根据它们包含多少个线圈（电感器）进行分类：[35] [36]

两个线圈或双谐振电路 - 几乎所有现有的特斯拉线圈都使用两个线圈谐振变压器，由施加电流脉冲的初级绕组和产生高压的次级绕组组成，由特斯拉于1891年发明。 “特斯拉线圈”通常指的是这些电路。
三个线圈，三重谐振或放大器电路 - 这些是具有三个线圈的电路，基于特斯拉的“放大发射器”电路，他在1898年之前的某个时候开始试验并安装在他的科罗拉多斯普林斯实验室1899-1900，并于1902年获得专利。[37] [38] [39]它们包括一个类似于特斯拉变压器的双线圈空芯升压变压器，次级连接到第三个线圈，而不是磁性耦合到其他线圈，称为“额外”或“额外”谐振器“线圈，串联馈电并与其自身的电容共振。存在三个储能槽电路给这个电路更复杂的谐振行为。它是研究的主题，但已被用于少数实际应用中。

历史[ 编辑]

Henry Rowland的 1889年火花激励谐振变压器，[40]特斯拉线圈的前身。[41]

特斯拉在1891年左右开发特斯拉变压器的步骤。[42] [43] [44]和Elihu Thomson [41] [45] [46]（1）低频使用的闭芯变压器，（2-7）重新排列用于降低损耗的绕组，（8）去除铁芯，（9）部分铁芯，（10-11）最终锥形特斯拉变压器，（12-13）特斯拉线圈电路主要文章：特斯拉线圈的历史

电振荡甚至谐振空心变压器电路已经探索和特斯拉之前开发的，[47] [46]包括约瑟夫亨利在莱顿瓶（1850），以及共振变换器通过开发亨利罗兰（1889）[41]和埃利·汤姆森（1890）。[48] [49] [50][40]特斯拉于1891年4月25日为特斯拉线圈电路申请了专利。[51] [2]并于1891年5月20日首次公开演示了他的演讲“ 极高频率的交替电流实验 ” 和它们对人工照明的方法应用前的“电气工程师协会在哥伦比亚大学，纽约。[52] [53] [44]虽然特斯拉在此期间获得了许多类似电路的专利，但这是第一个包含特斯拉线圈所有元件的电路：高压初级变压器，电容器，火花隙和空心“振荡变压器” 。

现代特斯拉线圈[ 编辑]

本文需要额外的引用来进行验证。请通过向可靠来源添加引文来帮助改进本文。无法查证的内容可能被提出异议而移除。（2015年8月）（了解如何以及何时删除此模板消息）

放电显示来自'特斯拉线圈' 的闪电般的等离子灯丝

特斯拉线圈（放电）。

玻璃容器中的特斯拉线圈（I）

现代高压发烧友通常建造特斯拉线圈，类似于特斯拉的一些“后期”2线圈空芯设计。这些通常由初级的谐振电路，串联LC（电感 - 电容）电路的高电压由电容器，火花隙和初级线圈，并且次级LC电路，串联谐振电路组成的的次级线圈加上一个终端电容或“顶部负载”。在特斯拉更先进（放大镜）的设计中，增加了第三个线圈。次级LC电路由紧密耦合的空芯变压器次级线圈组成，该次级线圈驱动单独的第三线圈螺旋谐振器的底部。现代双线圈系统使用单个次级线圈。然后将次级的顶部连接到顶部负载端子，其形成电容器的一个“板” ，另一个“板”是接地（或“ 接地 ”）。调整初级LC电路以使其谐振与次级LC电路的频率相同。初级和次级线圈是磁耦合的，从而形成双调谐谐振空芯变压器。早期的油绝缘特斯拉线圈在其高压端子处需要大而长的绝缘体，以防止在空气中放电。后来的特斯拉线圈将电场扩展到更远的距离，以防止首先出现高电应力，从而允许在自由空气中运行。大多数现代特斯拉线圈也使用环形输出端子。这些通常由旋涂金属或柔性铝管制成。环形形状有助于通过向外引导火花并远离初级和次级绕组来控制次级顶部附近的高电场。

特斯拉线圈的更复杂版本，被特斯拉称为“放大镜”，使用更紧密耦合的空芯谐振“驱动器”变压器（或“主振荡器”）和更小的远程输出线圈（称为“额外”线圈“或简称谐振器）在相对较小的线圈形式上具有大量匝数。驱动器次级绕组的底部接地。另一端通过绝缘导体连接到额外线圈的底部，绝缘导体有时称为传输线。由于传输线工作在相对较高的RF电压下，因此通常由1“直径的金属管制成，以减少电晕损耗。由于第三个线圈位于距离驱动器一定距离处，因此它不与其磁耦合.RF能量是而是直接从驱动器的输出耦合到第三个线圈的底部，使其“振铃”到非常高的电压。双线圈驱动器和第三个线圈谐振器的组合为系统增加了另一个自由度，使调谐比2线圈系统复杂得多。多个共振网络（特斯拉放大镜是一个子集）的瞬态响应最近才被解决。[54]现在已经知道的是，多种有用调谐“模式”是可用的，并且在大多数操作模式的额外线圈将在不同的频率比主振荡器振铃。[55]

主切换[ 编辑]

本节不引用任何来源。请通过向可靠来源添加引文来帮助改进此部分。可以质疑和移除未供应的材料。（2015年8月）（了解如何以及何时删除此模板消息）

现代晶体管或真空管特斯拉线圈不使用主要火花隙。相反，晶体管或真空管提供产生用于初级电路的RF功率所需的切换或放大功能。固态特斯拉线圈使用最低的初级工作电压，通常在155和800伏之间，并使用单极，半桥或全桥布置的双极晶体管，MOSFET或IGBT驱动初级绕组切换初级电流。真空管线圈通常以1500至6000伏特的板电压工作，而大多数火花隙线圈以6,000至25,000伏的初级电压工作。传统晶体管特斯拉线圈的初级绕组仅缠绕在次级线圈的底部。该配置示出了次级作为泵浦谐振器的操作。初级“感应”交流电压进入次级的最底部，提供定期的“推动”（类似于提供适当的定时推动到操场的挥杆）。在每次“推”期间，额外的能量从初级电感传输到次级电感和顶部负载电容，并且建立次级输出电压（称为“振铃”）。电子反馈电路通常用于自适应地将主振荡器与次级中的增长谐振同步，这是除了合理的顶部负载的初始选择之外的唯一调整考虑因素。

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内华达州闪电实验室的示范1:12规模原型双特斯拉线圈在Maker Faire 2008

在双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC）中，固态特斯拉线圈的电子开关与火花隙特斯拉线圈的谐振初级电路相结合。谐振初级电路由串联的初级绕组线圈的连接的电容器形成，使得该组合物形成的一系列储能电路具有接近该次级电路的谐振频率。由于附加的谐振电路，需要一个手动调节和一个自适应调谐调节。此外，通常使用中断器来减少开关桥的占空比，以改善峰值功率能力; 类似地，IGBT在这种应用中比双极晶体管更受欢迎或MOSFET，由于其卓越的功率处理特性。限流电路通常用于将最大初级槽电流（必须由IGBT切换）限制在安全水平。DRSSTC的性能可与中等功率火花隙特斯拉线圈相媲美，并且效率（通过火花长度与输入功率测量）可显着大于在相同输入功率下工作的火花隙特斯拉线圈。

设计的实际方面[ 编辑]

本节包含说明，建议或操作方法内容。维基百科的目的是提供事实，而不是训练。请通过重写操作方法内容或将其移至Wikiversity，Wikibooks或Wikivoyage来帮助改进本文。（2018年6月）

高压生产[ 编辑]

更现代设计的大型特斯拉线圈通常在非常高的峰值功率水平下工作，高达数兆瓦（百万瓦[56]）。因此，它不仅为了效率和经济性而且为了安全而进行仔细调整和操作。如果由于调谐不当，最大电压点出现在端子下方，沿着次级线圈，放电（火花）可能会爆裂并损坏或破坏线圈导线，支撑或附近的物体。

特斯拉线圈原理图

典型电路配置
这里，火花隙使由交流电提供的第一变压器上的高频短路。未示出的电感保护变压器。当使用相对易碎的霓虹灯标志变压器时，这种设计是有利的。

替代电路配置
由于电容器与第一个变压器并联，并且火花隙与特斯拉线圈初级串联，因此交流电源变压器必须能够承受高频高压。

特斯拉尝试了这些以及许多其他电路配置（见右图）。特斯拉线圈初级绕组，火花隙和槽电容器串联连接。在每个电路中，交流电源变压器对储能电容器充电，直到其电压足以击穿火花隙。间隙突然发射，允许带电的储能电容器放电到初级绕组。一旦间隙触发，任一电路的电气行为都是相同的。实验表明，两种电路都没有提供任何明显的性能优势。

然而，在典型电路中，火花隙的短路动作可防止高频振荡“备份”到电源变压器中。在备用电路中，电容器两端出现的高振幅高频振荡也会施加到电源变压器的绕组上。这会导致匝间的电晕放电减弱并最终破坏变压器的绝缘。经验丰富的特斯拉线圈制造商几乎专门使用顶部电路，通常在电源变压器和火花隙之间使用低通滤波器（电阻和电容（RC）网络）来增强它，以帮助保护电源变压器。当使用具有易碎高压绕组的变压器（例如霓虹灯）时，这一点尤为重要变形金刚（NSTs）。无论使用哪种配置，HV变压器必须是通过内部漏电感自限制其二次电流的类型。普通（低漏感）高压变压器必须使用外部限制器（有时称为镇流器）来限制电流。NST设计为具有高漏电感，以将其短路电流限制在安全水平。

调整[ 编辑]

初级线圈的谐振频率通过使用低功率振荡调谐到次级线圈的谐振频率，然后增加功率（并在必要时重新调谐），直到系统以最大功率正常工作。在调谐时，通常在顶部端子上添加一个小突起（称为“突破凸起”），以便刺激周围空气中的电晕和火花放电（有时称为拖缆）。然后可以调节调谐以便在给定功率水平下实现最长的拖缆，对应于初级和次级线圈之间的频率匹配。拖缆的电容“负载”倾向于降低在全功率下工作的特斯拉线圈的谐振频率。环形顶部载荷通常优于其他形状，例如球形。大直径远大于次级直径的环形线圈在顶部负载处提供改善的电场形状。与类似直径的球体相比，这提供了对次级绕组的更好保护（免受损坏的拖缆撞击）。并且，环形线圈允许相当独立地控制顶部负载电容与火花突破电压。环形电容主要是其大直径的函数，而火花分支电压主要是其小直径的函数。栅格倾角振荡器（GDO）有时用于帮助促进初始调谐和辅助设计。除了使用GDO或其他实验方法之外，次级的共振频率可能难以确定，而初级的物理性质更接近地表示RF槽设计的一阶近似。

空气排放[ 编辑]

操作中的小型后期型特斯拉线圈：输出产生43厘米的火花。次要的直径是8厘米。电源为10 000 V， 60 Hz 限流电源。

在产生放电的同时，来自次级和环形的电能作为电荷，热，光和声音传递到周围的空气。该过程类似于对电容器充电或放电，除了特斯拉线圈使用AC而不是DC。由电容器内的电荷移位引起的电流称为位移电流。特斯拉线圈放电由于位移电流而形成，因为电荷脉冲在高压环形线圈和空气中的附近区域（称为空间电荷区域）之间快速传递。尽管环形线圈周围的空间电荷区域是不可见的，但它们在特斯拉线圈放电的外观和位置中起着重要作用。

当火花隙触发时，充电电容器放电到初级绕组中，导致初级电路振荡。振荡的初级电流产生振荡磁场，该振荡磁场耦合到次级绕组，将能量传递到变压器的次级侧并使其与环形电容接地振荡。能量转移在多个循环中发生，直到最初在初级侧的大部分能量转移到次级侧。绕组之间的磁耦合越大，完成能量传递所需的时间越短。随着能量在振荡的次级电路内建立，环形RF电压的幅度迅速增加，并且环形线周围的空气开始经历介电击穿，形成电晕放电。

随着次级线圈的能量（和输出电压）继续增加，位移电流的较大脉冲进一步电离并在初始击穿点处加热空气。这形成较热的非常导电的“根” 等离子体，称为前导从环形，该向外突出。引导器内的等离子体比电晕放电更热，并且导电性更强。实际上，它的特性类似于电弧。领导者逐渐变细并分成数千个更薄，更凉爽的头发状排出物（称为飘带）。在更加明亮的领导者的末端，飘带看起来像一个带蓝色的“阴霾”。拖缆将引线和环形线圈之间的电荷转移到附近的空间电荷区域。来自无数拖缆的位移电流全部进入引导器，有助于保持其热和导电性。

与谐振器 - 顶部负载组件的谐振频率相比，火花特斯拉线圈的初级断裂速率较慢。当开关闭合时，能量从初级LC电路传递到谐振器，在谐振器中电压在短时间内上升，最终导致放电。在火花隙特斯拉线圈中，初级到次级能量传递过程在典型的每秒50-500次脉冲速率下重复发生，具体取决于输入线电压的频率。在这些速率下，先前形成的领导者通道没有机会在脉冲之间完全冷却。因此，在连续脉冲上，较新的放电可以建立在其前辈留下的热路径上。这导致引导器从一个脉冲到下一个脉冲的增量增长，从而延长每个连续脉冲的整个放电。重复脉冲导致放电增长，直到每个脉冲期间特斯拉线圈可用的平均能量平衡放电中的平均能量损失（主要是作为热量）。在此刻，达到动态平衡，并且放电已达到特斯拉线圈输出功率水平的最大长度。上升的高压射频的独特组合包络和重复脉冲似乎非常适合于产生长的分支放电，这比单独的输出电压考虑所预期的要长得多。高压，低能量放电产生丝状多分支放电，其呈紫蓝色。高压，高能放电产生更厚的放电，分支更少，苍白和发光，几乎是白色，并且比低能量放电更长，因为电离增加。该地区将出现强烈的臭氧和氮氧化物气味。最大放电长度的重要因素似乎是电压，能量和低到中等湿度的静止空气。关于脉冲低频射频放电的启动和增长的科学研究相对较少，

应用[ 编辑]

今天，虽然小特斯拉线圈被用作科学高真空系统检漏仪[9]在与点火器电弧焊机，[57]其主要用途是娱乐和教育显示器。

教育和娱乐[ 编辑]

电子雕塑，世界上最大的特斯拉线圈。建造者Eric Orr可见于空心球形高压电极内部。

特斯拉线圈在科学博物馆和电子展览会上作为景点展示，并用于在学校和大学的科学课程中展示高频电的原理。

由于它们非常简单，可供业余爱好者制作，特斯拉线圈是一个受欢迎的学生科学博览会项目，并由全球大型业余爱好者自制。作为业余爱好的特斯拉线圈的建造者被称为“卷取机”。他们参加“卷绕”会议，展示他们自制的特斯拉线圈和其他高压设备。低功率特斯拉线圈有时也被用作Kirlian摄影的高压源

世界上最大的当前存在的特斯拉线圈是130,000瓦的单元，标题为38英尺高（12米）的雕塑的一部分，琥珀金所拥有的艾伦·吉布斯和目前居住在附近Kakanui点私人雕塑公园奥克兰，新西兰。[58] 由Syd Klinge设计和制造的一个非常大的特斯拉线圈每年都会在美国加利福尼亚州印第奥的科切拉的科切拉谷音乐和艺术节上展出。加利福尼亚州的物理学家奥斯汀理查兹于1997年创建了一种金属法拉第套装，以保护他免受特斯拉线圈放电的影响。1998年，他将该角色命名为MegaVolt博士，并在世界各地和Burning Man演出九年不同。

特斯拉线圈还可以通过MIDI数据和控制单元调制系统的有效“中断率”（即高功率RF突发的速率和持续时间）来产生包括音乐在内的声音。实际的MIDI数据由微控制器解释，微控制器将MIDI数据转换为PWM输出，可通过光纤接口发送到特斯拉线圈。[59] [60]所述的YouTube视频在立体声与和谐超级马里奥兄弟主题上的两个线圈表示在匹配在41 kHz工作频率固态线圈性能。线圈由设计师爱好者Jeff Larson和Steve Ward建造和操作。该设备已被命名为Zeusaphone，后宙斯，希腊闪电之神，以及参考Sousaphone的文字游戏。在唱着特斯拉音圈上演奏音乐的想法飞到了世界各地，一些追随者[61]继续发起人的工作。在伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的工程开放日（EOH）期间，一场广泛的户外音乐会演出使用特斯拉线圈。冰岛艺术家Björk在她的歌曲“Thunderbolt”中使用特斯拉线圈作为歌曲中的主要乐器。音乐团体ArcAttack使用调制的特斯拉线圈和一个穿链式套装的男人来演奏音乐。

真空系统检漏仪[ 编辑]

使用高真空系统的科学家使用由小型手持式特斯拉线圈产生的高压放电测试设备中的微小针孔（特别是新吹制的玻璃器皿）的存在。当系统被抽空时，线圈的高压电极在设备的外部播放。在低压下，空气更容易电离，因此比大气压空气更好地导电。因此，放电通过其正下方的任何针孔，在真空空间内产生电晕放电，照亮该孔，指示在它们可用于实验之前需要退火或再生的点。

健康危害[ 编辑]

特斯拉线圈输出端的高压射频（RF）放电造成了其他高压设备所没有的独特危险：当通过身体时，它们通常不会引起疼痛的感觉和肌肉收缩的电击，如较低频率的交流或直流电流。[62] [17] [63] [64] 神经系统对频率超过10 - 20 kHz的电流不敏感。[65] 据认为，其原因是必须在神经细胞上驱动一定数量的离子通过强制电压触发神经细胞去极化并传递冲动的膜。在无线电频率下，在半周期期间没有足够的时间使足够的离子在交流电压反转之前穿过膜。[65] 危险在于，由于没有感觉到疼痛，实验者经常认为电流是无害的。展示小特斯拉线圈的教师和爱好者经常通过触摸高压终端或让流光弧穿过他们的身体来给观众留下深刻的印象。[66] [67] [17]

如果来自高压端子的电弧撞击裸露的皮肤，则会引起称为RF烧伤的深层烧伤。[68] [69] 这通常是通过允许电弧击中手中握有的金属片或手指上的顶针来避免的。电流通过足够宽的表面区域从金属进入人的手中，以避免引起灼伤。[17] 通常感觉不到感觉，或只是温暖或刺痛。

然而，这并不意味着电流是无害的。[70] 如果频率恰好低到足以引起心室颤动，即使是小特斯拉线圈也会产生许多倍于停止心脏所需的电能。[71] [72] 线圈的轻微失调可能导致触电。此外，RF电流加热它通过的组织。特斯拉线圈电流通过电极直接施加到皮肤上，在20世纪早期用于长波透热疗法医学领域的深部身体组织加热。[63] 加热量取决于电流密度，电流密度取决于特斯拉线圈的功率输出和电流通过本体接地的路径的横截面积。[64] 特别是如果它通过诸如血管或关节之类的狭窄结构，它可能将局部组织温度升高到高温水平，“烹饪”内脏或引起其他伤害。国际ICNIRP特斯拉线圈频率范围0.1 - 1 MHz体内射频电流安全标准规定最大电流密度为0.2 mA /平方厘米，四肢组织最大功率吸收率（SAR）为4 W / kg体重平均为0.8 W / kg。[73] 即使是低功率特斯拉线圈也可能超过这些限制，并且通常无法确定人身伤害开始时的阈值电流。受到高功率（> 1000瓦特）特斯拉线圈的电弧击中可能是致命的。

据报道，这种做法的另一个危险是来自高压端子的电弧经常撞击线圈的初级绕组。[62] [70]这暂时为来自电源变压器的致命50/60 Hz初级电流创建了一条导电路径，以到达输出端子。如果一个人此时连接到输出端子，通过触摸它或允许来自终端的电弧击中人体，那么高初级电流可以通过导电的电离空气路径，穿过身体到地面，导致电刑。

皮肤效果神话[ 编辑]

特斯拉线圈爱好者持续存在电击的错误解释是高频电流穿过身体靠近表面，因此不会渗透到重要器官或神经，因为称为皮肤效应的电磁现象。[71] [17] [74] [75]

这个理论是错误的。[76] [77] [78] [62] [72] [79] 由于趋肤效应，射频电流确实倾向于在导体表面流动，但其穿透的深度，称为趋肤深度，取决于电阻率和材料的介电常数以及频率。[80] [81] 虽然趋肤效应将特斯拉线圈频率的电流限制在金属导体的外部分数毫米，但由于其较高的电阻率和较低的介电常数，人体组织中的电流趋肤深度要深得多。特斯拉频率（0.1-1MHz）电流在人体组织中的穿透深度大约为24至72厘米（9至28英寸）。[81] [80] [62] 由于即使最深的组织比这更接近表面，皮肤效应对通过身体的电流路径几乎没有影响; [79]它倾向于采取最小电阻抗接地的路径，并且可以很容易地穿过身体的核心。[82] [62] [81] 在称为长波透热疗法的医学治疗中，特斯拉频率的精心控制的射频电流数十年用于深部组织变暖，包括加热诸如肺的内部器官。[82] [63] 现代短波透热疗法使用27 MHz的更高频率，这将具有相应更小的皮肤深度，但这些频率仍然能够穿透深层身体组织。[77]