TESLA BOBINI: TARIHÇE, NASIL ÇALIŞIR, NE IŞE YARAR - FIZIKSEL - 2025

Tesla bobini , bir yüksek gerilim olarak bu işlevler sarma, yüksek frekans jeneratörü. 1891'de patentini alan fizikçi Nikola Tesla (1856 - 1943) tarafından icat edildi.

Manyetik indüksiyon Tesla'yı iletkenlerin müdahalesi olmadan elektrik enerjisini iletme olasılığını düşündürdü. Bu nedenle, bilim insanı ve mucidin fikri, kablo kullanmadan elektrik transferine hizmet edecek bir cihaz yaratmaktı. Bununla birlikte, bu makinenin kullanımı çok verimsizdir, bu nedenle kısa bir süre bu amaç için terk edildi.

Şekil 1. Tesla bobini ile gösterim. Kaynak: Pixabay.

Öyle olsa bile, Tesla bobinleri, direklerde veya fizik deneylerinde olduğu gibi bazı özel uygulamalarda hala bulunabilir.

Tarih

Bobin, Hertz'in deneyleri gün ışığına çıktıktan kısa bir süre sonra Tesla tarafından oluşturuldu. Tesla'nın kendisi buna "elektrik enerjisi ileten aygıt" adını verdi. Tesla, elektriğin teller olmadan iletilebileceğini kanıtlamak istedi.

Colorado Springs laboratuvarında Tesla'nın emrinde bir antene bağlı 16 metrelik devasa bir bobin vardı. Cihaz, enerji iletim deneyleri yapmak için kullanıldı.

Tesla bobinleriyle deney yapın.

Bir keresinde bu bobinin neden olduğu bir kaza meydana geldi ve 10 kilometre uzakta bulunan bir elektrik santralinden gelen dinamolar yakıldı. Arıza sonucunda, dinamoların sargılarının etrafında elektrik arkları üretildi.

Bunların hiçbiri, şimdi adıyla bilinen çok sayıda bobin tasarımını denemeye devam eden Tesla'nın cesaretini kırmadı.

O nasıl çalışır?

Ünlü Tesla bobini, Nikola Tesla'nın elektriği telsiz iletmek için yaptığı birçok tasarımdan biridir. Orijinal versiyonlar büyüktü ve yüksek voltaj ve yüksek akım kaynakları kullanıyordu.

Doğal olarak bugün, bir sonraki bölümde açıklayacağımız ve açıklayacağımız çok daha küçük, kompakt ve ev yapımı tasarımlar var.

Şekil 2. Temel Tesla bobininin şeması. Kaynak: kendi kendine.

Tesla bobininin orijinal versiyonlarına dayanan bir tasarım, yukarıdaki şekilde gösterilen tasarımdır. Önceki şekildeki elektrik şeması üç bölüme ayrılabilir.

Kaynak (F)

Kaynak, bir alternatif akım jeneratörü ve bir yüksek kazançlı transformatörden oluşur. Kaynak çıkışı tipik olarak 10.000 V ile 30.000 V arasındadır.

İlk LC 1 rezonans devresi

Uçları arasında bir kıvılcım atladığında devreyi kapatan "Kıvılcım Boşluğu" veya "Patlayıcı" olarak bilinen bir S anahtarından oluşur. LC devresi 1 ayrıca bir kondansatör C1 ve seri olarak bağlanmış bir bobin L1'e sahiptir.

İkinci rezonans devresi LC 2

LC devresi 2, bobin Ll'e göre yaklaşık olarak 100'e 1'lik bir dönüş oranına sahip bir bobin L2 ve bir kapasitör C2'den oluşur. Kapasitör C2, bobin L2'ye topraklama yoluyla bağlanır.

L2 bobini genellikle seramik, cam veya plastik gibi iletken olmayan malzemeden bir tüp üzerine yalıtkan bir emaye ile sarılmış bir teldir. Bobin L1, şemada bu şekilde gösterilmemesine rağmen, bobin L2 üzerine sarılmıştır.

Kondansatör C2, tüm kondansatörler gibi iki metal plakadan oluşur. Tesla bobinlerinde, C2 plakalarından biri genellikle küresel veya toroidal kubbe şeklindedir ve L2 bobini ile seri olarak bağlanır.

C2'nin diğer kartı yakındaki ortamdır, örneğin küre şeklinde bitmiş metalik bir kaide ve devreyi kapatmak için L2'nin diğer ucu da toprağa bağlı.

Hareket mekanizması

Bir Tesla bobini açıldığında, yüksek voltaj kaynağı C1 kapasitörünü şarj eder. Bu, yeterince yüksek bir voltaja ulaştığında, S anahtarında (kıvılcım aralığı veya patlayıcı) bir kıvılcım atlaması yaparak rezonans devresini I kapatır.

Daha sonra C1 kondansatörü, değişken bir manyetik alan oluşturarak L1 bobini içinden boşalır. Bu değişken manyetik alan ayrıca bobin L2'den geçer ve bobin L2 üzerinde bir elektromotor kuvveti indükler.

L2, L1'den yaklaşık 100 tur daha uzun olduğu için, L2'deki elektrik voltajı, L1 genelinden 100 kat daha fazladır. Ve L1'de voltaj 10.000 volt civarında olduğundan, L2'de 1 milyon volt olacaktır.

L2'de biriken manyetik enerji, elektrik enerjisi olarak bir milyon voltluk maksimum voltaj değerlerine ulaştığında havayı iyonize eden, kıvılcım oluşturan ve aniden toprak yoluyla boşaltılan C2 kondansatörüne aktarılır. Saniyede 100 ila 150 kez deşarj olur.

LC1 devresine rezonans denir çünkü C1 kapasitöründe biriken enerji bobin L1'e geçer ve bunun tersi de geçerlidir; yani bir salınım meydana gelir.

Aynısı, bobin L2'nin manyetik enerjisinin elektrik enerjisi olarak kapasitör C2'ye aktarıldığı ve bunun tersi olan rezonans devresi LC2'de de olur. Yani, devrede dönüşümlü olarak bir gidiş-dönüş akımı üretilir.

Bir LC devresindeki doğal salınım frekansı,

Rezonans ve karşılıklı indüksiyon

LC devrelerine sağlanan enerji, devrenin doğal salınım frekansı ile aynı frekansta gerçekleştiğinde, enerji aktarımı optimaldir ve devre akımında maksimum bir amplifikasyon üretir. Tüm salınımlı sistemlerde ortak olan bu fenomen rezonans olarak bilinir.

LC1 ve LC2 devreleri manyetik olarak bağlanmıştır, başka bir fenomen karşılıklı indüksiyondur.

LC1 devresinden LC2'ye ve tersi yönde optimum enerji aktarımı için, her iki devrenin doğal salınım frekansları eşleşmeli ve ayrıca yüksek voltaj kaynağının frekansıyla eşleşmelidir.

Bu, salınım frekanslarının kaynak frekansı ile çakışması için her iki devrede de kapasitans ve endüktans değerlerini ayarlayarak elde edilir:

Bu meydana geldiğinde, kaynaktan gelen güç verimli bir şekilde LC1 devresine ve LC1'den LC2'ye aktarılır. Her bir salınım döngüsünde, her devrede biriken elektrik ve manyetik enerji artar.

C2 üzerindeki elektrik voltajı yeterince yüksek olduğunda, C2 toprağa deşarj edilerek yıldırım şeklinde enerji açığa çıkar.

Tesla bobini kullanır

Tesla'nın bu bobinlerle yaptığı deneylerdeki orijinal fikri, her zaman elektrik enerjisini uzun mesafelerde kablolama olmadan iletmenin bir yolunu bulmaktı.

Ancak bu yöntemin çevreye dağılarak enerji kayıplarından dolayı düşük verimliliği, elektrik enerjisi enerjisini iletmek için başka yollar aramayı gerekli kılmıştır. Bugün kablolama hala kullanılıyor.

Tesla'nın deneyini geliştirmeye yardımcı olan plazma lambası.

Bununla birlikte, Nikola Tesla'nın orijinal fikirlerinin çoğu günümüzün kablolu iletim sistemlerinde hala mevcuttur. Örneğin, daha az kayıplı kablolar üzerinden iletim için elektrik trafo merkezlerindeki yükseltici trafolar ve evlerde dağıtım için düşürücü trafolar Tesla tarafından tasarlandı.

Büyük ölçekli kullanıma sahip olmamasına rağmen, Tesla bobinleri, yüksek voltajlı elektrik endüstrisinde yalıtım sistemlerini, kuleleri ve güvenli çalışması gereken diğer elektrikli cihazları test etmek için yararlı olmaya devam ediyor. Şimşek ve kıvılcım oluşturmak için çeşitli gösterilerde ve bazı fizik deneylerinde de kullanılırlar.

Büyük Tesla bobinleri ile yapılan yüksek gerilim deneylerinde güvenlik önlemlerinin alınması önemlidir. Bir örnek, gözlemcilerin korunması için Faraday kafeslerinin ve bu makaralarla gösterilere katılan sanatçılar için metal örgü giysilerin kullanılmasıdır.

Ev yapımı bir Tesla bobini nasıl yapılır?

Bileşenler

Tesla bobininin bu minyatür versiyonunda yüksek voltajlı AC kaynağı kullanılmayacaktır. Aksine, güç kaynağı şekil 3'teki şemada gösterildiği gibi 9 V'luk bir pil olacaktır.

Şekil 3. Bir mini Tesla bobini oluşturmak için şematik. Kaynak: kendi kendine.

Orijinal Tesla versiyonundan diğer bir fark ise transistör kullanılmasıdır. Bizim durumumuzda, düşük sinyalli bir NPN transistörü olan ancak hızlı yanıt veren veya yüksek frekanslı 2222A olacaktır.

Devrede ayrıca bir S anahtarı, 3 dönüşlü bir birincil bobin L1 ve minimum 275 dönüşlü ikincil bir L2 bobini bulunur, ancak aynı zamanda 300 ila 400 tur arasında da olabilir.

Birincil bobin, plastik yalıtımlı ortak bir tel ile yapılabilir, ancak ikincil bobin, genellikle sargılarda kullanılan yalıtım cilasıyla kaplı ince bir tel gerektirir. Sarma, 3 ila 4 cm çapında karton veya plastik bir tüp üzerine yapılabilir.

Transistörü kullanma

Nikola Tesla zamanında transistör olmadığı unutulmamalıdır. Bu durumda transistör, orijinal versiyonun "kıvılcım aralığı" veya "patlayıcı" nın yerini alır. Transistör, akımın geçişine izin veren veya vermeyen bir kapı olarak kullanılacaktır. Bunun için transistör şu şekilde polarize edilir: kolektör c pozitif terminale ve verici e pilin negatif terminaline.

Baz b pozitif polarizasyona sahip olduğunda, akımın kollektörden yayıcıya geçişine izin verir, aksi takdirde engeller.

Şemamızda, baz pilin pozitifine bağlanır, ancak transistörü yakabilecek aşırı akımı sınırlamak için 22 kilo ohm'luk bir direnç yerleştirilir.

Devre ayrıca kırmızı olabilen bir LED diyot gösterir. İşlevi daha sonra açıklanacaktır.

İkincil bobinin L2 serbest ucuna, bir polistiren topun veya bir pin pong topunun alüminyum folyo ile kaplanmasıyla yapılabilen küçük bir metal top yerleştirilir.

Bu küre, C kapasitörünün plakasıdır, diğer plaka ise ortamdır. Bu, parazitik kapasite olarak bilinen şeydir.

Mini Tesla Bobini Nasıl Çalışır?

S anahtarı kapatıldığında, transistörün tabanı pozitif olarak önyargılıdır ve birincil bobinin üst ucu da pozitif bir şekilde önyargılıdır. Böylece, birincil bobinden geçen, kollektörden geçen, emitörden çıkan ve bataryaya geri dönen bir akım aniden ortaya çıkar.

Bu akım çok kısa sürede sıfırdan maksimum değere yükselir, bu nedenle ikincil bobinde bir elektromotor kuvveti indükler. Bu, L2 bobininin altından transistörün tabanına giden bir akım üretir. Bu akım aniden tabanın pozitif polarizasyonunu durdurur, böylece akım birincil duraklardan geçer.

Bazı versiyonlarda LED diyot çıkarılır ve devre çalışır. Bununla birlikte, yerleştirmek, transistör tabanı önyargısının kesilmesindeki verimliliği artırır.

Akım dolaştığında ne olur?

Birincil devrede hızlı akım artışı döngüsü sırasında, ikincil bobinde bir elektromotor kuvveti indüklendi. Birincil ve ikincil dönüş oranı 3 ila 275 olduğu için, L2 bobininin serbest ucu toprağa göre 825 V'luk bir gerilime sahiptir.

Yukarıdakilere bağlı olarak, C küresine yaklaşan bir neon tüp veya floresan lamba içinde gazı düşük basınçta iyonize edebilen ve tüp içindeki serbest elektronları hızlandırabilen kapasitör C küresinde yoğun bir elektrik alanı üretilir. ışık emisyonunu üreten atomları uyarmak için.

Akım, L1 bobini ve bobin L2'nin C'yi çevreleyen havadan toprağa doğru boşalmasıyla aniden kesildiği için çevrim yeniden başlatılır.

Bu tür bir devrede önemli olan nokta, her şeyin çok kısa sürede gerçekleşmesidir, böylece yüksek frekanslı bir osilatöre sahip olursunuz. Bu tür bir devrede, transistörün ürettiği çarpıntı veya hızlı salınım, önceki bölümde açıklanan ve Tesla bobininin orijinal versiyonuna atıfta bulunan rezonans olayından daha önemlidir.

Mini Tesla bobinleriyle önerilen deneyler

Tesla mini bobini oluşturulduktan sonra, onunla deney yapmak mümkündür. Açıkçası, orijinal versiyonların şimşek ve kıvılcımları üretilmeyecek.

Ancak flüoresan ampul veya neon tüp yardımıyla bobin ucundaki kondansatörde oluşan yoğun elektrik alanı ile bu alandaki yüksek salınım frekansının birleşik etkisinin lambayı nasıl yaptığını gözlemleyebiliriz. sadece yoğunlaştırıcı küreye yaklaşırken yanar.

Güçlü elektrik alanı, tüp içindeki düşük basınçlı gazı iyonlaştırarak gaz içinde serbest elektronlar bırakır. Böylelikle devrenin yüksek frekansı floresan tüp içindeki serbest elektronların tüpün iç duvarına yapışan flüoresan tozunu hızlandırıp uyararak ışık yaymasına neden olur.

Ayrıca, ışıklı bir LED'i C küresine yaklaştırarak, LED pinleri bağlanmamış olsa bile nasıl yandığını gözlemleyebilirsiniz.

Referanslar

1. Blake, T. Tesla bobin teorisi. Tb3.com adresinden kurtarıldı.
2. Burnett, R. Tesla bobininin çalışması. Kurtarıldı: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizik: Kavramlar ve Uygulamalar. 7. Baskı. MacGraw Hill. 626-628.
4. Wisconsin-Madison Üniversitesi. Tesla bobini. Kurtarıldı: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla bobini. Wikiwand.com adresinden kurtarıldı.