幾年之后，一位來自愛爾蘭的牧師，業(yè)余科學家，名叫尼古拉斯·卡倫，他對法拉第的裝置進行改進，可以獲得更強的電壓。他把兩個線圈在同一電棒上進行纏繞，之間是由絕緣層分隔開。他驚奇的發(fā)現(xiàn)當初級線圈斷開與電池的連接時，可以在次級線圈上感受到強烈的電擊。 當第一個線圈比較薄，也就是線圈匝數比較少，第二個線圈比較厚，對應的的匝數比較多時，可以感受到第二個線圈輸出的電壓又增強了許多�？▊惒⒉恢�道他發(fā)明了一個升壓變壓器。

 

▲ 圖1.3 卡倫的升壓變壓器

  當原邊連接電池，于是產生了磁場并把鐵芯變成了電磁鐵。當電池斷開后，鐵芯失去了磁性。因此根據法拉第提出嶄新的電磁感應理論，每當電池接入線圈或者斷開時，都會在副邊產生感應電流。當副邊線圈比原邊少的時候，感應的電壓小，但產生的電流大。這也解釋了為什么法拉第可以測量電電流，但并沒有感受到線圈上的電壓刺激。當副邊的線圈增多是，便可以產生更大的電壓，人們感受的電壓刺激就越強，但輸出的電壓相對變小。

三、高壓脈沖

  卡倫還發(fā)明了一個齒輪能夠不斷地完成電池進入線圈和斷開，被稱為“重復器”，這樣就可以持續(xù)產生感應電壓。他說這是至今為止人們所建造的產生高壓最好的設備。 卡倫把他的實驗結果發(fā)送給他的朋友斯特金，斯特金也制作了相同的設備，并對卡倫的方案進行了改進，后來很多人將這個設備當做折磨人的設備進行出售，從而發(fā)了財。

 

▲ 圖1.4 斯特金制作的變壓器

  令人不可思議的是，感應線圈居然越來越流行，也被用于醫(yī)療方面，放多病癥都可以被電擊來治療，包括粘膜炎，花粉病，哮喘，感冒，流感，頭疼，神經痛，風濕病，耳朵疼，牙疼等。

  于是人們開始競相制作可以輸出更大，輸出更加穩(wěn)定持續(xù)的電擊或者火花的設備。其中最重要的一個發(fā)明就是設計了一種線圈自動完成通斷的設備，把原來的齒輪和手柄替代。在原邊線圈通電時，也將鐵芯進行磁化，于是吸引彈簧上的銜鐵擺動，并將電流斷開。此時線圈斷電，鐵芯失去磁性。釋放了銜鐵，在彈簧作用下重新聯(lián)通線路。這樣便可以形成20到40Hz的通斷，當時被稱為電磁通斷器。

 

▲ 圖1.5 自動電火花設備

四、諧振回路

  然后，在電流通斷時會在觸電產生大量的火花。到了1853年，一位法國的物理學家，名叫安阿曼德·菲扎，在電磁觸點兩端增加了萊頓瓶，相當于增加了一個電容器。萊頓瓶實際上是在玻璃瓶的內外包裹了金屬膜，也是最早的電容器。萊頓瓶的電容容量取決于金屬膜的面積和玻璃瓶壁的厚度。自從加入了萊頓瓶，菲扎消除了電磁觸點的火花，但同時也創(chuàng)建了一個革新的設備，可以將來自電池的直流電能轉換成交流電。其中的原理是什么呢？

 

▲ 圖1.6 萊頓瓶-高壓電容器

  電池鏈接萊頓瓶，在內外存儲了相反的電荷，如果使用線圈進行短接，于是萊頓瓶放電產生電流脈沖。然后，如果短接電線連接了線圈，電流脈沖通過線圈時，使得線圈內的磁場發(fā)生變化。變化的磁場又會在線圈內感應出新的電流，這是線圈的自感現(xiàn)象。 因此當萊頓瓶在線圈放電時，放電電流會持續(xù)，甚至在萊頓瓶中的電荷是放完之后還會持續(xù)，這樣就會在萊頓瓶中產生相反的充電電荷。于是萊頓瓶又開始了反方向的放電，如果放電回路中沒有電阻損耗，放電電流就會來回反復流動。如果放電回路中存在電阻損耗，放電電流就會在每次循環(huán)中降低，直到系統(tǒng)中電能被完全釋放，沒有電流流動。電容與線圈相連被稱為諧振回路，現(xiàn)今仍然被應用于振蕩電流。

 

▲ 圖1.7 萊頓瓶與線圈組成的諧振環(huán)路

  振蕩頻率依賴于諧振回路中的電容和電感大小。如果你想改變震蕩頻率，可以通過改變線圈大小和電容形狀。利用這種方式，在19世紀50年代，人們可以將電池的直流電轉換成幾兆赫茲的交流脈沖信號，覆蓋無線電波頻率范圍。又過了若干年，科學家引入了微分方程來描述電路的工作機制。 到了1886年，德國科學家海因里奇·赫茲利用感應線圈第一次觀察到了無線電波。然后，赫茲并沒有認識的他的發(fā)現(xiàn)的重要性，只是認為證明了電磁波理論的正確性。

 

▲ 圖1.8 LC 諧振電壓波形

五、特斯拉線圈

  現(xiàn)在我們聊聊尼古拉·特斯拉。在1889年夏天特斯拉來到巴黎世界博覽會，聽說了有關電磁波的神奇實驗。于是他自己著手做相應的實驗，制作了感應線圈，但他有進行了新的創(chuàng)新，將原來電磁通斷器去掉，使用一臺交流發(fā)電機產生交流電驅動初級線圈。這是非常實質的改進，不再依賴于機械裝置來產生交變電流，而直接使用交流發(fā)電機來提供交變電源。為此特斯拉還同時發(fā)明了交流發(fā)電機，三相交流發(fā)電機。這些裝置功率很大，使得線圈溫度上升，燒壞了線圈的絕緣層，所以他設計了空心線圈。

 

▲ 圖1.9 特斯拉與他發(fā)明的三相交流發(fā)電機

  后來他發(fā)現(xiàn)初級中的了萊頓瓶時好時壞，于是將萊頓瓶移到高壓次級線圈， 并且對電容容量能夠調整。 通過調整次級電容大小，也可以改變次級的諧振頻率，使其為初級交流頻率的整數倍數。借助于這種方式，特斯拉產生了高頻高壓電流。利用次級電容，產生了可調諧的高頻電磁波。當時的特斯拉對于無線電報和無線廣播并不感興趣，他對無線電能傳輸照明應用比較癡迷。為此，他增加了意外一個諧振回路，這個回路利用單個電線便可以點亮燈泡。他發(fā)現(xiàn)對于霓虹燈、熒光燈來說，甚至不需要任何電線連接，只要靠近高壓線圈便能夠發(fā)光。后來人們發(fā)現(xiàn)在高壓線圈頂部增加巨大的金屬圓環(huán)，便可以產生非常漂亮的放電電弧，這也是現(xiàn)如今特斯拉線圈最常見到的展示實驗。

 

▲ 圖1.10 特斯拉高壓點亮氖泡和熒光燈的專利圖片

  下面讓我們了解一下現(xiàn)代特斯拉線圈的工作機制以及它所能夠創(chuàng)造的迷人放電演示。升壓變壓器通過次級線圈的增加來獲得更高的交流電壓。線圈與電容器組成諧振回路。 特斯拉線圈中，交流電壓首先通過升壓變壓器進行電壓提升，相應的輸出電流減少。這一點與當年卡倫的變壓器作用相同。利用放電間隙對諧振電容進行放電，從而使得諧振回路產生高頻電壓。這個高頻高壓交流電輸入到另外一個變壓器的原邊，產生更高的交流電壓，在次級能夠產生數百萬伏的高壓交流電，并對金屬圓環(huán)體進行充電。由于頂部圓環(huán)上的電壓非常高，于是引起空氣電離，產生巨大的放電現(xiàn)象。

 

▲ 圖1.11 當代特斯拉線圈的電路原理圖

  特斯拉被這種放電現(xiàn)象所征服，他甚至設想建立一個巨大的放電塔，將整個地球都充滿電，并點亮大氣層�，F(xiàn)實中這并不可行，他甚至游說，J·P 摩根來支持他。在同一時期，一個意大利的年輕人的想法則比較折中和顯示，他叫古列爾莫·馬可尼，他設想實現(xiàn)跨大西洋發(fā)送無線電報，后來他使用特斯拉線圈最終獲得成功。

 

▲ 圖1.12 Guglielmo Marconi

參考資料

[1]

How Does a Tesla Coil Work? A Historical Deep Dive: /watch?v=IN9jb3fzZd0&t=96s