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问题

「特斯拉线圈」制造人工闪电的原理是什么，此外还有哪些用途？

回答
特斯拉线圈，这个名字本身就带着几分神秘与魔幻色彩，仿佛是来自那个时代的发明家尼古拉·特斯拉脑海中跳跃出的闪电精灵。它最广为人知，也最令人震撼的“手艺”，莫过于制造出那令人目眩神迷的人工闪电。但在这绚丽的电弧背后，究竟隐藏着怎样的科学原理？而除了这耀眼的光芒，特斯拉线圈还能为我们做什么呢？

制造人工闪电的奇妙原理：高频高压的舞蹈

要理解特斯拉线圈如何点亮天空，我们需要先了解它内部精巧的设计和工作机制。

首先，特斯拉线圈不是一个单独的器件，而是由几个关键部分组成的系统：

电源 (Power Source): 通常是市电，也就是我们家里使用的交流电。
火花隙 (Spark Gap): 这是整个系统的“心脏”和“触发器”。它由两个电极组成，之间留有空气或其他绝缘介质。
初级线圈 (Primary Coil): 这个线圈由较粗的导线绕制，匝数较少，连接在火花隙的一侧和地线之间。
次级线圈 (Secondary Coil): 这是特斯拉线圈的“咽喉”，由非常细的导线绕制成非常多的圈数，通常呈细长圆柱状。它被放置在初级线圈的内部，但两者之间没有电学上的直接连接，只有电磁上的耦合。
电容器 (Capacitor): 通常是一个或一组能够储存电荷的装置，连接在电源和火花隙之间。在特斯拉线圈的早期设计中，电容器可能只是两个金属板之间隔着一层绝缘材料，但现代的更高效的装置会使用专门的电容器。

特斯拉线圈的工作过程可以分解为几个连续的阶段：

1. 能量的储存与充电： 电源将电能输送到电容器。电容器就像一个蓄水池，逐渐储存电荷，其两端的电压也随之升高。
2. 击穿与放电的开始： 当电容器储存的电荷积累到一定程度，其两端的电压足以克服火花隙之间的空气电阻时，就会发生一次“击穿”。空气被电离，形成一道导电的通道，电容器中的电荷便通过这道导电通道瞬间释放。
3. 初级回路的振荡： 电容器的放电过程非常迅速，电流会流过初级线圈。由于初级线圈本身具有电感，而电容器具有容性，它们共同构成了一个LC谐振电路。就像一个被拨动的琴弦会持续振动一样，这个电路中的电流和电压会以极高的频率来回振荡。每一次放电都会产生一个高频的电流脉冲，这个脉冲在初级线圈中激发出一个变化的磁场。
4. 电磁感应与高压的产生： 这个初级线圈产生的快速变化的磁场穿过了次级线圈。根据法拉第电磁感应定律，一个变化的磁场会在另一个线圈中感应出电流。由于次级线圈的匝数远比初级线圈多得多，并且在电学上与初级线圈没有直接联系，这种感应过程会产生一个极高电压的交流电。每一次初级回路的振荡都会在次级线圈中感应出高压脉冲。
5. 谐振的叠加与升压： 特斯拉线圈设计的精妙之处在于，初级线圈和次级线圈都设计有自己的谐振频率。当这两个谐振频率非常接近时，次级线圈就能有效地吸收初级线圈传递过来的能量，并将其“放大”——也就是说，电压会得到极大的提升。这个过程有点像两个音叉，当一个音叉振动时，如果另一个音叉的固有频率与其相同，那么它也会跟着共振并发出更响亮的声音。特斯拉线圈就是利用这种“谐振耦合”来达到惊人的升压效果。
6. “击穿”空气，形成人工闪电： 次级线圈的顶端通常连接着一个球形或尖形的电极，它能够产生高电场强度。当次级线圈产生的电压足够高，足以克服周围空气的绝缘能力时，空气就会被电离，形成导电的等离子体通道，也就是我们看到的“人工闪电”或“电弧”。这个电弧会从次级线圈的顶端延伸出去，甚至可以连接到附近的导体上，形成一道耀眼的光芒。每一次初级回路的振荡都会在次级线圈中激发出这种高压脉冲，从而持续不断地产生电弧。

简单来说，特斯拉线圈就像一个高效的“能量放大器”，它利用电容器储存电能，通过火花隙快速释放，在初级线圈中产生高频振荡，再通过电磁感应在次级线圈中产生极高的电压，最终以电弧的形式爆发出来。

除了制造闪电，特斯拉线圈的丰富用途：

虽然人工闪电是特斯拉线圈最引人注目的表演，但其核心原理——高频高压电的产生与传输——使其在很多领域都有着不可忽视的价值和应用潜力。

1. 无线电波的早期应用与无线通信的基石：
特斯拉本人就是一位杰出的无线电技术先驱。他在研究高频电流时，无意间发现了无线电波的存在，并进行了大量开创性的实验。特斯拉线圈产生的强烈的电磁场能够激发和传播电磁波（无线电波）。虽然现代无线通信已经远超特斯拉时代的简陋设备，但特斯拉线圈的核心原理——利用振荡电路产生和发射电磁波——奠定了无线电技术的基础。早期的一些无线电实验和通信设备就直接或间接采用了特斯拉线圈的原理。

2. 高压电气设备的测试与研究：
在电力工业和电气工程领域，特斯拉线圈是重要的实验设备。
绝缘强度测试： 它可以产生极高的电压和频率，用于测试各种绝缘材料、电缆、变压器等在高压环境下的耐受能力和绝缘性能。这对于保障电力系统的安全稳定运行至关重要。
高压电晕放电研究： 电晕放电是发生在高压电场中，当电场强度不足以完全击穿绝缘介质，但足以使其局部电离时产生的辉光放电。特斯拉线圈可以模拟并研究这种放电现象，这对于优化输电线路设计、减少能量损耗等方面有重要意义。
X射线和紫外线产生： 特斯拉线圈产生的强电场可以加速电子，撞击金属靶材产生X射线，或者激发气体产生紫外线。在早期，它就被用于X射线成像设备的研究。

3. 感应加热：
通过将金属物体放置在特斯拉线圈的磁场附近，高频变化的磁场会在金属内部感应出涡流。根据焦耳楞次定律，电流通过导体时会产生热量，当涡流足够大时，就能迅速将金属加热到熔化的程度。这种感应加热技术广泛应用于金属熔炼、焊接、热处理等工业领域，效率高，加热均匀，而且非接触式加热，非常方便。

4. 无线能量传输的先驱构想：
这是特斯拉最宏伟也最令人着迷的设想之一。特斯拉梦想通过地球本身作为导电介质，利用高频谐振来在全球范围内实现无线能量传输。他建造了一个实验塔（Wardenclyffe Tower），试图实现这一目标。虽然最终未能成功，但他的理念为后来的无线充电技术提供了灵感。特斯拉线圈在原理上是能够传输少量能量的，通过优化设计，可以实现小功率设备的无线充电。

5. 等离子体物理与科学展示：
除了制造戏剧性的闪电，特斯拉线圈还可以产生各种形态的等离子体，如等离子体球（将手靠近一个带电的玻璃球，球内的等离子体就会随着你的手移动）。这些演示不仅具有科学研究价值，也是极佳的科学普及和教育工具，能够直观地展示高频高压电的神奇魅力，激发人们对科学的兴趣。

6. 其他潜在应用：
尽管很多应用尚未成熟或被更先进的技术取代，但特斯拉线圈的原理仍然在一些边缘领域进行探索，例如用于某些医疗设备的研究、土壤净化等。

总而言之，特斯拉线圈并非仅仅是一个能制造壮观电弧的玩具。它是一个承载着深刻物理原理和前瞻性设想的“科学机器”。它在无线电、高压技术、材料科学以及我们对能量传输的理解方面都留下了浓墨重彩的一笔。它提醒着我们，在看似遥不可及的科学幻想背后，往往隐藏着可以改变世界的强大力量和精妙智慧。它就像一位老友，即便在科技飞速发展的今天，依然能在实验室里，在科学爱好者的手中，再次点亮那耀眼而神秘的电弧，诉说着那个伟大发明家的不朽传奇。

网友意见

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第一次知道这玩意是上世纪末玩 C&C 红色警戒的时候。



*** 备注： 这是利用火花放电产生宽频的交流电，简单粗暴有效


特斯拉線圈（Tesla Coil）是一種諧振變壓器，由美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉在1891年發明，用來生產超高壓低電流、高頻率的交流電。特斯拉線圈和闪电是有比较大的不同，特斯拉線圈频率很高而且持续放电， 自然界的闪电是一次性静电击穿空气放电，性质不一样。 如果类比的话， 电警棍和电击枪（Taser Gun）更类似闪电。

1889年夏天，特斯拉往巴黎参加1889年世博会，了解到海因里希-赫兹1886-1888年的实验证明了包括无线电波在内的电磁辐射的存在。特斯拉觉得这个新发现 "令人耳目一新"，并决定更充分地探索它。在重复以及扩展这些实验的过程中，特斯拉尝试用他开发的高速交流发电机为鲁姆科夫线圈供电，作为改进的电弧照明系统的一部分，但发现高频电流使铁芯过热，并熔化了线圈中初级和次级绕组之间的绝缘。为了解决这个问题，特斯拉想出了他的 "谐振变压器"，在初级绕组和次级绕组之间用气隙代替绝缘材料，铁芯可以移动到线圈内或线圈外的不同位置，这东西（空气芯射频谐振变压器）后来被称为 "特斯拉线圈"，被用来产生高压、小电流、高频的交流电，他在后来的无线电源中就使用了这种谐振变压器电路。


用途？ 据说可以用作气象武器

       机器翻译  曼宁了解到美国空军在俄亥俄州代顿的赖特-帕特森空军基地追求特斯拉技术的军事应用。 1988年3月出版的Omni杂志上的一篇关于特斯拉的文章，让她知道阿拉斯加建造一个受 特斯拉启发的发射机的消息。在安克雷奇和费尔班克斯之间的一个叫加科纳的地方， 进行了一系列被称为 "高空极光研究项目 "的实验，旨在向地球的电离层发射数百万瓦的能量。 HAARP的发明者，麻省理工学院的物理学家伯纳德-伊斯特伦德，对这种可能性感到兴奋。 "你几乎可以提升大气层的一部分，"Eastlund告诉Omni杂志，"你可以让它移动，对它做一些事情。" Omni不喜欢。 "因为高层大气对其成分的微小变化极为敏感，"该杂志警告说，"仅仅是测试伊斯特隆德装置， 就可能造成不可逆的损害。" 一个月后，理查德-威廉姆斯在《物理学与社会》上发表的一篇 文章增加了她的担忧。威廉姆斯是一位在普林斯顿大学工作的哈佛大学毕业的物理学家， 他将这些实验称为 "不负责任的全球破坏行为"。威廉姆斯在文章中警告说，HAARP  "可能会成为对地球大气层的严重威胁。如此大规模的实验，可能会在短时间内造成不可挽回的损失"。 威廉姆斯特别担心，利用HAARP改变电离层的温度，可能会干扰产生保护地球免受紫外线辐射的臭氧的化学反应。 1994年，HAARP在美国Project Censored评选的年度10个报道最不充分的新闻事件中，赢得了榜首位置。 那时，曼宁已经搬到了温哥华，合著了两本关于新能源的书： 《花岗岩人与蝴蝶》和《被压抑的发明》，并收集了堆积如山的HAARP文件。 该项目可以产生足够强的磁场，导致鲑鱼和驯鹿误入歧途，扰乱天气，并破坏地球大部分地区的通信。 其他的HAARP危害可能更加可怕。




哦，对了，电蚊拍（ZAPPER）也类似闪电。



理解这个需要从欧姆定律、电工原理的知识。 市面上卖的成品，需要用到晶体管电路（模拟和开关电路）的知识，恐怕一个帖子说不完。

玩具性的特拉斯线圈的电压高达几十万伏特， 但因为频率很高，电流一般比较小。


** 备注： 这个是用高反压的 MOSFET 驱动谐振变压器的次级




不如先从一个免费的电路仿真开始吧。





LTspice®是一款高性能 SPICE 仿真软件、电路图捕获和波形观测器，并为简化模拟电路的仿真提供了改进和模型。LTspice 的下载内容中包括了用于大多数 Analog Devices 开关稳压器、放大器的宏模型，以及用于一般电路仿真的器件库。


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LTspice IV 是一款高性能 Spice III 仿真器、电路图捕获和波形观测器，并为简化开关稳压器的仿真提供了改进和模型。对 Spice 所做的改进使得开关稳压器的仿真速度极快，较之标准的 Spice 仿真器有了大幅度的提高，从而令用户只需区区几分钟便可完成大多数开关稳压器的波形观测。


关于 LTspice 的一些读物

SPICE Using OrCAD PSPICE, WINSPICE or LTSPICE

这是 Dr. Lynn Fuller 博士撰写的长达 70 页的介绍， 读一下绝对有收获。

       http://people.rit.edu/lffeee/SPICE_OrCAD_WinSPICE_Fuller.pdf   https://vdocuments.site/spice-orcad-winspice-rit-peoplepeopleritedulffeeespiceorcadwinspicefullerpdf2-9-2010.html https://docplayer.net/62762097-Spice-using-orcad-pspice-winspice-or-ltspice.html


LTspice 仿真 简单的三极管低压 ZVS



仿真模型


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LTspice 仿真 12v供电3000V输出




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如果您希望深入了解，不妨认真看看参考书。





【未完待续】

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特斯拉线圈就是个变压器。


学变压器时我们已经知道，主副线圈两端的电压比等于线圈的匝数比。比如主线圈接220v交流电，共2200匝；那么一个200匝的副线圈两端就有20v的电压。


反过来也对。如果你能找到早期的、使用铁芯变压器的手机充电器的话，会发现它是把220v电压变到了5v；那么，如果你能找到两个这样的变压器，把变压器A接220v，然后把变压器A的5V输出不经整流（这样它就仍然是交流电）接到变压器B的5V线圈上，那么变压器B的220V插头上就有了220v电压——换句话说，变压器A主线圈2200匝，接220v交流电；副线圈50匝，输出5v交流电；把这个5v交流电接到变压器B的50匝的副线圈上，变压器B的2200匝的主线圈就输出220V电压。


——小时候特想摸摸220v电是什么滋味；这样拿两个变压器来回一变，变压器B的输出就有了一个限流（毕竟变压器A只能输出两三瓦的功率），我觉得这样可能比直接摸220v电稍微安全点（危险！仍然能造成很大伤害，切勿模仿！），于是拿小指一扫，又疼又麻的过了胳膊肘……


容易想到，如果变压器B的主线圈不是2200匝而是22000匝，那么它就能输出2200V电压；如果进一步增强到220000匝呢，我们就得到了两万伏的高电压——这个电压已经足够击穿间距不太大的电极之间的空气、形成类似小型闪电的丝状放电了。


不过，真一口气缠上二十二万匝也太麻烦了。

等等，不是说变压器主副线圈匝数比就等于输入输出电压比吗？那么为什么一定要每伏电压缠10圈呢？缠一圈不行吗？


答案是不行。发热太严重。

对于小型变压器，其每伏匝数有个经验公式：N=10000/4.44FBS

其中，N就是每伏匝数；F是交流电的频率，B是由铁芯材质决定的磁通密度，S是铁芯截面积。


当每伏匝数太少时，线圈中电流强度更大，就需要更粗的漆包线；同时铁芯通过的磁强过强，必须更换更好的铁芯材质、或者增加铁芯截面积（或同时增加两者）。否则或者导线严重发热，或者铁芯进入非线性区，也会大量发热——小时候我就自己绕过，为了提高电压而尽量减少了每伏匝数，后果就是变压器每次通电不敢超过1分钟，就这样每次玩过都还热的烫手。


磁通量达到上限还有个问题，就是主副线圈的电压比不再等于匝数比了。比如，次级线圈5圈，输入220伏50HZ交流电，假设线圈神奇的抗住了、保险丝也抗住了——你会惊奇的发现，2200匝的主线圈并没有输出(2200/5)*220=96800伏特电压，而是只有三四百伏！

还记得前面提到的“铁芯非线性区”吗？问题就在这里。它根本承受不了足够的磁通量，直接给你“削顶”了！


容易想到，如果交流电频率更高（也就是F增加），那么线圈匝数N就可以减少了。

但是，交流电频率更高，铁芯中就容易产生涡流——然后就好像电磁炉一样，很快就热的发红了。

不过，这反而是好事：我们干嘛一定要一个铁芯？它反而会增加线圈电感量、对高频电产生巨大的“感抗”。

因此，我们应该提高交流电的频率、同时去掉变压器的磁芯。

这就是特斯拉线圈的原理。

它首先给一个电容器充电；然后把充满电的电容器接到匝数较少的空心线圈上。我们知道，这是个标准的LC电路，能量会在电容/电感之间、在电场和磁场之间来回转换——或者说，振荡。

振荡频率很好算：


具体实现嘛……最简单的，你先给电容充电再把电容接入电路，从而得到短时间的振荡电流；高级点的，你可以通过晶体管给这个LC震荡电路不停补充能量，让振荡电流一直存在。

总之，我们得到了高频交流电。

然后，我们可以缠一个足够粗的螺线管，确保其中的空气柱的磁通够用；再缠出匝数比夸张的主副线圈（低压侧就一两圈，高压侧几千甚至几万圈），从而把较低的输入电压（比如220v甚至干电池的1.5伏）提升到几万甚至几十上百万伏——这个电压已经足够击穿很长距离的空气、制造出微型“人工闪电”了。


其中，“给电容充电然后接入电路、产生短时间强电压”的叫SGTC，需要精心选择参数才能确保主副线圈“谐振”，这样才能产生尽量长的电弧（换句话说低压侧应该C大L小，高压侧正相反，且两侧的LC乘积尽量接近）。

这个调整颇为困难，据说特斯拉本人特别擅长这项工作。


而现代玩家可以通过振荡电路不断给特斯拉线圈注入能量，这叫SSTC。其中，振荡电流频率固定的叫“定频SSTC”，同样需要制作者调整振荡频率，使其和高压侧的谐振频率相同，否则就拉不出很长的电弧；为了弥补这个缺陷，人们又设计了“追频SSTC”，原理是通过天线或者磁环从高压侧取样，使得低压侧振荡电流按高压侧谐振频率起振，这种电路不需要人工调整电路参数就能达到极好效果。


当然，我自己不玩特斯拉线圈。就是小时候感兴趣，自己琢磨着折腾变压器弄出过几千伏电压而已（猜的，大概能击穿三毫米左右的空气，后来查资料猜测应该有几千伏，但肯定不到上万伏）；等见到相关资料时已经过了中二期，懒得动手折腾了。因此以上可能有不对的地方，让方家见笑了。

特斯拉线圈本身只是个geek玩具——完美符合公众心中“疯狂科学家”形象的geek玩具；但它的原理在日常生活中到处都有应用，并不是“疯了的geek才会去折腾的危险玩具”。


最常见的，你的手机充电器，它实际上就是“先把220伏交流电整流、然后通过振荡电路转换成一个几千赫兹（甚至更高频率）的交流电；再把这个交流电接入一对相互耦合的线圈一侧，降压到5v供你使用（实际上要更复杂一些，比如还会通过‘开关电路’调整‘占空比’，从而动态适应负载变化、输出不同电压）”。

过去用变压器直接把220v50hz的交流电降压到5v，这种变压器体积大、笨重、损耗大（包括铜线发热造成的‘铜损’以及铁芯发热引起的‘铁损’），输出功率还低（连‘五伏一安’都不能保证）；新的开关电源可以做到只有拇指大小，却可以输出几十上百瓦的功率，而且几乎不发热（能力损耗极小），大量制造起来消耗材料少、成本低。


除了手机充电器、电脑电源，过去的CRT显示器、电视机的“高压包”、X光机用以激发X射线的超高电压供应、提供大功率激光器需要的高电压的“激光电源”等等，骨子里都有“特斯拉线圈”的影子。


另一个侧面，特斯拉线圈本质上是以空气为介质、在主副线圈之间传输能量。

现在已经有很多支持“无线充电”的手机售卖了，当然它们往往只是一个藏着线圈的底座，需要把手机放到底座上才能充电；但未来我们可以在房间墙壁里嵌一个巨大的线圈、通上高频电流；然后在吊灯、冰箱里面也安装一个小线圈接收能量，那么就可以摆脱烦人的电源线、也不用发愁墙上插座的数量不够怎么办位置不方便怎么办了。


进一步的，或许可以借助特斯拉线圈原理收集雷电能量；更进一步的，当无线输电进一步发展之后，或许就可以在太空直接把太阳能传回地球。从此我们的汽车、飞机甚至个人飞行器（扫帚？）就可以通过一个线圈“凭空”获得能量，从而把我们的世界变成“魔法”世界。

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