特斯拉線圈

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特斯拉線圈

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周祥順｜海洋大學光電學研究所

在「雅各天梯」單元中我們介紹過變壓器的原理。在傳統的變壓器中，主線圈與次線圈藉鐵芯耦合，鐵芯可將主線圈97%以上的磁場傳遞至次線圈，其電壓提昇率等於線圈匝數比。傳統變壓器可於一般電壓下工作，但在高電壓下極易毀損。

特斯拉線圈（Tesla coils）是一個可產生高電壓（十萬伏特）及高頻電磁振盪（200 kHz 至 1200 kHz）的非傳統變壓器。特斯拉線圈以空氣為芯。空氣是很好的絕緣體，因此特斯拉線圈可於高電壓下工作。但是空氣僅能將主線圈 10% 至 20% 的磁場傳遞至次線圈。特斯拉線圈是如何產生十萬伏特的高電壓呢？

特斯拉線圈含主電路及次電路。主電路含點火線圈、電容器、火花間隙、及主線圈（9 匝）。點火線圈為一變壓器，可將交流電源昇壓，並使電容器充電。電容器充電後經由主線圈及火花間隙放電，形成 LC 電路。LC 電路的電流及電荷隨時間做簡諧振盪，其自然頻率為，其中為線圈自感，為電容器電容。連接火花間隙與主線圈的導線有一移動接點。改變接點與主線圈接觸的位置可調整主線圈自感及主電路自然頻率。次電路是由次線圈（1150 匝）及金屬球（或針尖）電容器組成的 LC 電路，其自然頻率介於200與1200KHz間。主電路做簡諧振盪時，主線圈產生隨時間改變的磁場，並在次線圈造成頻率等於主電路自然頻率的感應電動勢。當主電路與次電路的自然頻率相同時，二者產生共振（請參考「龍洗」及「唱歌棒」單元）。主電路將電磁能傳遞給次電路，使次電路產生十萬伏特高電壓。

演示實驗一：火花放電（spark discharge）及日光燈發光

將一對金屬球接至次線圈兩端，調整移動接點位置，使主線圈匝數為 4。打開交流電源，兩金屬球間產生火花放電。手持日光燈靠近金屬球，日光燈點亮發光。如前文敘述，當主線圈匝數為 4 時，主電路與次電路自然頻率相同，二者產生共振，使次線圈產生十萬伏特高電壓。此時金屬球間的電場超過空氣的電介質強度（dielectric strength 約 4 ~ 30 kV/cm），使兩球間的空氣及日光燈中的氣體成為導體，產生放電現象（請參考「閃電球」單元）。

演示實驗二：電暈放電（corona discharge）

將針狀電極置於次線圈頂端，調整移動接點位置，使主線圈匝數為5。針狀電極附近的電場超過空氣的電介質強度，使空氣成為導體，產生花冠狀的藍光，稱為電暈放電。

演示實驗三：特斯拉風車

將Ｓ形金屬片置於針狀電極頂端。金屬片尖端的強電場使附近空氣分子失去電子成為離子。離子間的斥力使離子運動，產生離子風。離子風使金屬片快速轉動。

資料提供

海洋大學光電科學研究所周祥順教授
E-mail：hschou@mail.ntou.edu.tw

變壓器(2) 雅各天梯(2) 共振(16)

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