テスラコイル：歴史、その仕組み、目的 - 物理的 - 2025

テスラコイルは、巻線の高電圧、高周波数発生器として機能することです。これは、1891年に特許を取得した物理学者ニコラテスラ（1856-1943）によって発明されました。

磁気誘導により、テスラは導体を介さずに電気エネルギーを伝送する可能性について考えました。したがって、科学者と発明者のアイデアは、ケーブルを使用せずに電気を転送するのに役立つデバイスを作成することでした。ただし、このマシンの使用は非常に非効率的であるため、この目的のために間もなく放棄されてしまいました。

図1. Teslaコイルを使用したデモ。出典：Pixabay。

それでも、テスラコイルは、パイロンや物理実験などの特定のアプリケーションでまだ見つけることができます。

歴史

コイルは、ヘルツの実験が明らかになった直後にテスラによって作成されました。テスラ自身はそれを「電気エネルギーを伝達するための装置」と呼んだ。テスラは電気がワイヤーなしで送られることを証明したかった。

テスラはコロラドスプリングスの研究所で、アンテナに取り付けられた16メートルの巨大なコイルを自由に使えるようにしていました。デバイスは、エネルギー伝送実験を実施するために使用されました。

テスラコイルで実験してください。

ある時、このコイルが原因で、10キロ離れた発電所のダイナモが焼かれたという事故がありました。故障の結果、ダイナモの巻線の周りに電気アークが発生しました。

そのどれもテスラを落胆させず、テスラは現在彼の名前で知られている多くのコイル設計を実験し続けました。

それはどのように機能しますか？

有名なテスラコイルは、ニコラテスラがワイヤーなしで電気を伝送するために作成した多くのデザインの1つです。元のバージョンはサイズが大きく、高電圧および高電流源を使用していました。

当然のことながら、今日では、次のセクションで説明および説明する、はるかに小型でコンパクトな自家製のデザインがあります。

図2.基本的なテスラコイルの回路図。出典：自作。

テスラコイルのオリジナルバージョンに基づく設計は、上の図に示すものです。前の図の電気回路図は、3つのセクションに分けることができます。

ソース（F）

ソースは、交流発電機と高利得変圧器で構成されています。ソース出力は通常、10,000 V〜30,000 Vです。

最初のLC 1共振回路

これは、 "Spark Gap"または "Explosor"と呼ばれるスイッチSで構成されており、スパークが両端間でジャンプすると回路を閉じます。ＬＣ回路１はまた、直列に接続されたコンデンサＣ１およびコイルＬ１を有する。

2番目の共振回路LC 2

ＬＣ回路２は、コイルＬ１およびコンデンサＣ２に対して約１００対１の巻数比を有するコイルＬ２からなる。コンデンサC2は、グラウンドを介してコイルL2に接続します。

L2コイルは通常、セラミック、ガラス、プラスチックなどの非導電性材料のチューブに絶縁エナメルを巻いたワイヤーです。コイルＬ１は、図ではこのように示されていないが、コイルＬ２に巻かれている。

コンデンサC2は、すべてのコンデンサと同様に、2つの金属板で構成されています。テスラコイルでは、C2プレートの1つは通常、球状またはトロイダルドームの形状をしており、L2コイルと直列に接続されています。

C2のもう一方のボードは近くの環境です。たとえば、球に仕上げられ、アースに接続されて、L2のもう一方の端もアースに接続されている回路を閉じる金属製の台座があります。

作用機序

テスラコイルがオンになると、高電圧源がコンデンサC1を充電します。これが十分に高い電圧に達すると、スイッチS（スパークギャップまたは爆発物）でスパークジャンプが発生し、共振回路Iが閉じます。

次に、コンデンサＣ１は、可変磁場を生成するコイルＬ１を介して放電する。この可変磁場もコイルL2を通過し、コイルL2に起電力を誘導します。

L2はL1よりも約100ターン長いため、L2にかかる電圧はL1にかかる電圧より100倍大きくなります。また、L1では電圧が10,000ボルトのオーダーであるため、L2では100万ボルトになります。

L2に蓄積された磁気エネルギーは、電気エネルギーとしてコンデンサーC2に転送されます.100万ボルトのオーダーの最大電圧値に達すると、空気をイオン化し、火花を生成し、地面から突然放電されます。放電は毎秒100〜150回発生します。

LC1回路は、コンデンサC1に蓄積されたエネルギーがコイルL1に送られるため、共振と呼ばれます。つまり、振動が発生します。

同じことが共振回路LC2でも起こり、コイルL2の磁気エネルギーが電気エネルギーとしてコンデンサC2に、またはその逆に転送されます。つまり、回路では往復電流が交互に生成されます。

LC回路の固有振動周波数は

共鳴と相互誘導

LC回路に供給されるエネルギーが回路の振動の固有周波数と同じ周波数で発生する場合、エネルギー伝達は最適であり、回路電流の最大増幅を生成します。すべての振動システムに共通するこの現象は、共振として知られています。

LC1回路とLC2回路は磁気的に結合されており、相互誘導と呼ばれる別の現象です。

LC1回路からLC2（またはその逆）への最適なエネルギー伝達のために、両方の回路の固有振動周波数は一致している必要があり、またそれらは高電圧源の周波数にも一致している必要があります。

これは、発振周波数がソース周波数と一致するように、両方の回路の静電容量とインダクタンスの値を調整することで実現されます。

これが発生すると、電源からの電力がLC1回路に効率的に転送され、LC1からLC2に転送されます。振動の各サイクルで、各回路に蓄積される電気エネルギーと磁気エネルギーが増加します。

C2の両端の電圧が十分に高い場合、C2をアースに放電することにより、エネルギーが落雷​​の形で放出されます。

テスラコイルは

テスラのこれらのコイルを使った実験における当初のアイデアは、配線なしで長距離にわたって電気エネルギーを伝送する方法を常に見つけることでした。

しかし、環境全体での分散によるエネルギー損失のためにこの方法の効率が低いため、電力エネルギーを伝送する他の手段を探す必要がありました。今日でも配線は使用されています。

テスラの実験の発展に貢献したプラズマランプ。

しかし、ニコラテスラの独創的なアイデアの多くは、今日の有線伝送システムにまだ残っています。たとえば、より少ない損失でケーブルを介して伝送するための電気変電所の昇圧変圧器、および家庭配電用の降圧変圧器がテスラによって考案されました。

テスラコイルは、大規模に使用されていないにもかかわらず、高電圧電気業界で絶縁システム、タワー、および安全に機能する必要のあるその他の電気機器をテストするために引き続き有用です。また、雷や火花を発生させるさまざまなショーや、いくつかの物理実験でも使用されます。

大型のテスラコイルを使用した高電圧実験では、安全対策を講じることが重要です。例としては、オブザーバーを保護するためのファラデーケージや、これらのリールでショーに参加するパフォーマーのための金属メッシュスーツの使用があります。

自家製テスラコイルを作る方法は？

部品

テスラコイルのこのミニチュアバージョンでは、高電圧AC電源は使用されません。逆に、図3の図に示すように、電源は9 Vバッテリーになります。

図3.ミニテスラコイルを構築するための回路図。出典：自作。

元のテスラバージョンとのもう1つの違いは、トランジスタの使用です。私たちの場合は、信号が小さいNPNトランジスタですが、応答が速く、周波数が高い2222Aになります。

回路には、スイッチS、3ターンの1次コイルL1、および最低275ターンの2次コイルL2もありますが、300から400ターンにすることもできます。

一次コイルは、プラスチック絶縁の一般的なワイヤーで構築できますが、二次コイルは、巻線に通常使用される絶縁ワニスで覆われた細いワイヤーが必要です。巻き付けは、直径3〜4 cmの厚紙またはプラスチックチューブで行うことができます。

トランジスタを使う

ニコラテスラの時代には、トランジスタは存在しなかったことを覚えておいてください。この場合、トランジスタは元のバージョンの「火花ギャップ」または「爆発物」を置き換えます。トランジスタは、電流の通過を許可する、または許可しないゲートとして使用されます。このため、トランジスタは次のように極性化されます。コレクターcがバッテリーのプラス端子に、エミッターeがバッテリーのマイナス端子に接続されます。

ベースbが正の分極を持つ場合、コレクタからエミッタへの電流の通過を許可し、それ以外の場合はそれを防止します。

私たちのスキームでは、ベースはバッテリーのプラスに接続されていますが、22キロオームの抵抗が挿入されており、トランジスタを燃焼させる可能性のある過剰電流を制限しています。

この回路には、赤色のLEDダイオードも示されています。その機能については後で説明します。

二次コイルL2の自由端に小さな金属ボールが配置されます。これは、ポリスチレンボールまたはピンポンボールをアルミホイルで覆うことによって作成できます。

この球はコンデンサCのプレートで、もう1つのプレートは環境です。これは寄生容量と呼ばれるものです。

ミニテスラコイルの仕組み

スイッチSが閉じると、トランジスタのベースが正にバイアスされ、1次コイルの上端も正にバイアスされます。そのため、一次コイルを通過し、コレクターを通過し、エミッターを出て、バッテリーに戻る電流が突然現れます。

この電流は非常に短い時間でゼロから最大値まで増加するため、2次コイルに起電力が誘導されます。これにより、L2コイルの下部からトランジスタのベースに流れる電流が生成されます。この電流はベースの正の分極を突然停止するため、電流は一次ストップを流れます。

一部のバージョンでは、LEDダイオードが削除され、回路が機能します。ただし、配置すると、トランジスタのベースバイアスをカットする効率が向上します。

電流が循環するとどうなりますか？

一次回路の急速な電流成長のサイクル中に、二次コイルに起電力が誘導されました。1次と2次の間の巻数比は3から275であるため、コイルL2の自由端の電圧は、グランドに対して825 Vです。

上記により、コンデンサＣの球には強い電場が生成され、球Ｃに近づくネオン管または蛍光灯内の低圧でガスをイオン化し、管内の自由電子を加速することができる。発光を引き起こす原子を励起することについて。

電流がコイルL1とコイルL2を介して突然止まり、Cを取り巻く空気を通って地面に向かって放出されたため、サイクルが再開されます。

このタイプの回路の重要な点は、すべてが非常に短時間で発生するため、高周波発振器が得られることです。このタイプの回路では、前のセクションで説明したテスラコイルの元のバージョンを参照する共振現象よりも、トランジスタによって発生するフラッタリングまたは急速な発振が重要です。

ミニテスラコイルを使った提案された実験

Teslaミニコイルを作成したら、それを試すことができます。明らかに、オリジナルバージョンの稲妻と火花は生成されません。

しかし、蛍光灯やネオン管の助けを借りて、コイルの端にあるコンデンサーで生成された強電界とその電界の高周波の振動の組み合わせ効果がランプをどのように作るかを観察できますコンデンサー球に近づくだけで点灯します。

強い電場がチューブ内の低圧ガスをイオン化し、ガス内に自由電子を残します。したがって、回路の高周波により、蛍光管内の自由電子が、管の内壁に付着している蛍光粉末を加速および励起させ、それにより光を放出させる。

発光LEDを球Cに近づけて、LEDピンが接続されていない場合でも点灯する様子を観察することもできます。

参考文献

1. ブレイク、T。テスラコイル理論。から回復：tb3.com。
2. バーネット、R。テスラコイルの操作。回収元​​：richieburnett.co.uk。
3. Tippens、P。2011。Physics：Concepts and Applications。第7版。マグローヒル。626-628。
4. ウィスコンシン大学マディソン校。テスラコイル。回収元​​：wonders.physics.wisc.edu。
5. ウィキワンド。テスラコイル。wikiwand.comから復元。