微型电弧放电演示仪的制作*

刘晓飞 王俊平 张连昊

(滨州学院航空工程学院 山东 滨州 256600)

1 引言

特斯拉线圈是由美籍塞尔维亚裔发明家、物理学家特斯拉(Nikola Tesla 1856—1943)发明[1]，学名“分布参量高频串联谐振变压器”.上百万伏的高压电可以由此线圈产生，并且产生的高压电可以把空气中的气体电离，电离的气体产生美丽的电弧.实验发现用音频信号调制，能形成音乐电弧，产生震耳的真正的“电音”[2].

随着科技的进步，各式各样的特斯拉线圈被制作出来，在科技馆里有一种体型庞大的特斯拉线圈，该仪器可以产生闪电状电弧，并且是大面积的，尤为美丽壮观.然而这样的视觉冲击一般只有在科技馆等少有的场合下才能体验到[3].本文设计制作了一个微型的电弧放电演示仪，不仅可以演示尖端放电形成美丽的电弧，还能够演示荧光灯隔空点亮，实现音乐和电的无线传输功能，该仪器制作成本低，安全性高，适合于实验室和物理课堂教学使用.

2 微型电弧放电原理

特斯拉线圈是利用电路谐振进行能量变换的高压发生装置[4,5].如图1所示,由一个双调谐耦合回路构成[6]，它的一次回路由谐振电容和一次绕组构成了串联谐振回路，因为串联谐振是电压谐振，可以获得高压大电流和巨大的激磁功率，二次回路可以感应到更高的等效激励电压，谐振升压后输出更高的电压，产生更加壮观的电弧.它的工作原理与普通变压器有较大不同，普通变压器的耦合系数k一般接近于1，所以初级和次级电压基本成比例关系；而特斯拉线圈的耦合系数一般都小于0.3，工作时，两级电压比例是随时间变化而变化的，不成线性关系.通过串联谐振，可以获得与输入信号频率相同但是幅值扩大很多倍的输出信号.特斯拉线圈能实现超高压正是基于该原理，RC串联谐振也常应用于逆变器、感应加热等方面[7].

图1 特斯拉线圈原理图

3 微型电弧放电演示仪的制作

该演示仪的电路图如图2所示.电路主要由二管、三极管、电容器、电感、线圈和场效应管组成，次级线圈作为电感，接地端和放电顶端间可以等效为电容器，起始状态下，能量在初级线圈构成的回路间振荡，线圈的高频振荡激励下，逐渐形成LC振荡.当初级LC振荡频率和次级线圈的振荡频率一致时，初级和次级线圈发生谐振，初级回路的能量传递到次级回路，次级回路的电压峰值不断增加，直到放电，放电后便会在次级线圈的尖端产生耀眼的电弧.如果将音频信号通过调制电路加载到电弧上，尖端电弧则会随着音频信号的变化发生规律性的亮弧和灭弧，周边空气中电离的等离子也会随着电弧的规律性变化发生周期性变化，从而实现音频信号的传递.

图2 微型电弧放电演示仪电路图

4 实验现象展示

4.1 尖端放电现象演示

当特斯拉线圈工作时，初级和次级线圈发生谐振，初级回路的能量传递到次级回路，次级回路的电压峰值不断增加，如果在次级线圈加装尖端，在强电场的作用下尖端就会放电，放电后便会在次级线圈的尖端产生耀眼的电弧.如果将音频信号通过调制电路加载到电弧上，尖端电弧则会随着音频信号发生规律性的亮弧和灭弧，周边空气中电离的等离子也会随着电弧的规律性变化发生周期性变化，从而实现音频信号的传递如图3所示.

图3 音频调制后尖端放电现象

4.2 点亮荧光灯管的演示

正常的室内使用的荧光灯，是等离子发光，但是需要接220 V的市电，并且在镇流器的作用下，产生瞬间高压，使得灯管内的等离子体电离，才会发光.但是通过实验发现，荧光灯管在没有接电源的情况下，将其靠近工作中的特斯拉线圈，也可以看到灯管被点亮.

如图4所示，这是由于灯管内氩气及水银蒸气被强电磁场电离导致发光，而这超强电磁场便是由次级线圈产生的，从而使灯管在不接电源的情况下，实现隔空点亮，实验时发现灯管与特斯拉线圈的位置不变,用手接触灯座,荧光灯明显变亮,这里考虑到人作为导体,与大地接触，灯管的电势差变大，从而灯光更明亮些.

图4 点亮荧光灯演示

4.3 无线传电演示

如图5所示，以绕好的线圈和LED灯构成的无线输电模块，在靠近特斯拉线圈时，可以看到模块上LED灯被点亮，和荧光灯在强电场下被点亮的原理不同.LED灯被点亮说明电路中存在电流，电路中存在电流说明谐振实现了电能的无线传输.

图5 无线传电现象演示

4.4 实验结果分析

经过几次实验得出的结果中可以看到，特斯拉线圈可以点亮荧光灯，使灯管在不接电源的情况下实现隔空点亮，用手挡住荧光灯则亮度变暗，尖端放电产生的电弧大小与线圈匝数、导线粗细和次级线圈的高度有关.线圈匝数越多，电弧越大，还可以增加次级线圈的高度和直径，同时增加初级线圈的电流，初级线圈的匝数不用太多，从而提高输入功率，使电弧变大.在音频实验过程中存在较大的噪声干扰，这些干扰的来源主要有以下几个方面：

(1)采用手工焊接的电路板及众多线路之间本身就存在较大噪声干扰；

(2)周围的电子设备(手机、电脑)产生的电磁场对线圈形成的干扰；

(3)周围空气的相对湿度，影响尖端电离空气等离子体时的电弧长度.

5 结束语

本文设计制作的微型、小功率的特斯拉线圈放电演示仪体积小、安全性高.实验展示了次级线圈的尖端放电现象，通过电弧播放音乐，也就是离子扬声器的原理；无电源供电的荧光灯被点亮；线圈连接的LED灯通过电磁感应实现了无线输电；尖端产生的电弧由于温度很高，还可做热切割演示；次级线圈周围产生的高强电磁场还可干扰电子设备.

该演示仪器包含的原理、展示的现象体现出了丰富的物理知识，易于学生理解难以接受的抽象理论知识，该演示仪不仅可以作为物理演示实验仪器，同时也可以作为科普趣味教学演示仪器,对培养学生核心素养大有裨益.