特斯拉线圈：从电磁感应到无线通信的革命性发明
特斯拉线圈：从电磁感应到无线通信的革命性发明
特斯拉线圈是19世纪末最具标志性的发明之一，它不仅展示了电磁学的奇妙原理，还为现代无线通信技术奠定了基础。本文将带你穿越历史，深入了解特斯拉线圈的工作原理及其背后的科学故事。
一、感应电流
故事始于1826年，一位名叫斯特金的退伍士兵发现，当电流通过缠绕在铁棒周围的线圈时，铁棒会获得磁性并吸引金属物体，这就是电磁铁的雏形。
图1.1 电磁线圈以及电磁铁
大约六年之后，在1831年，法拉第进行了一个开创性的实验。他将两个独立的线圈缠绕在一个铁环的两边，并发现当第一个线圈接通或断开电压时，第二个线圈会出现电流脉冲。法拉第用磁场的概念解释了这一现象：当线圈内的磁场发生变化时，会在线圈中感应出电流。然而，他未能测量到第二个线圈上的电压，因为当时的测量手段有限。
图1.2 法拉第电磁感应线圈
二、升压变压器
几年之后，一位来自爱尔兰的牧师兼业余科学家尼古拉斯·卡伦对法拉第的装置进行了改进。他将两个线圈在同一电棒上缠绕，并用绝缘层分隔。他惊奇地发现，当初级线圈断开与电池的连接时，可以在次级线圈上感受到强烈的电击。当初级线圈匝数较少而次级线圈匝数较多时，输出电压会显著增强。卡伦实际上发明了一个升压变压器。
图1.3 卡伦的升压变压器
当原边连接电池时，会产生磁场并使铁芯变成电磁铁。当电池断开后，铁芯失去磁性。根据法拉第的电磁感应理论，每当电池接入或断开线圈时，都会在副边产生感应电流。副边线圈匝数多时，可以产生更大的电压，但输出电流相对较小。
三、高压脉冲
卡伦还发明了一个齿轮装置，能够不断完成电池与线圈的连接和断开，被称为“重复器”。这个装置可以持续产生感应电压，被认为是当时产生高压的最佳设备。斯特金也制作了类似的设备，并对其进行了改进。这种设备后来被用于医疗领域，据说可以治疗多种疾病，包括粘膜炎、花粉病、哮喘等。
图1.4 斯特金制作的变压器
为了产生更稳定持续的电击或火花，人们设计了一种自动完成线圈通断的设备。在原边线圈通电时，铁芯会被磁化并吸引弹簧上的衔铁摆动，断开电路。当线圈断电时，铁芯失去磁性，衔铁在弹簧作用下重新连接线路。这样可以形成20到40Hz的通断频率，被称为电磁通断器。
图1.5 自动电火花设备
四、谐振回路
1853年，法国物理学家安阿曼德·菲扎在电磁触点两端增加了莱顿瓶，即最早的电容器。莱顿瓶的电容容量取决于金属膜的面积和玻璃瓶壁的厚度。加入莱顿瓶后，菲扎不仅消除了电磁触点的火花，还创造了一个可以将直流电转换成交流电的设备。
图1.6 莱顿瓶-高压电容器
当莱顿瓶通过线圈放电时，放电电流会持续流动，即使莱顿瓶中的电荷已经放完。这种现象被称为谐振，现今仍然应用于振荡电流。振荡频率取决于谐振回路中的电容和电感大小。19世纪50年代，人们利用这种方式将电池的直流电转换成几兆赫兹的交流脉冲信号，覆盖无线电波频率范围。
图1.7 莱顿瓶与线圈组成的谐振环路
五、特斯拉线圈
1889年夏天，尼古拉·特斯拉在巴黎世界博览会听说了电磁波实验后，开始进行相关实验。他创新性地使用交流发电机取代电磁通断器，直接产生交变电流。特斯拉还发明了三相交流发电机，并设计了空心线圈以应对高温问题。
图1.9 特斯拉与他发明的三相交流发电机
特斯拉将莱顿瓶移至高压次级线圈，并调整其电容容量。通过改变次级谐振频率，特斯拉产生了高频高压电流。他还发现，高压线圈顶部的金属圆环可以产生迷人的放电电弧，这是现代特斯拉线圈最典型的展示形式。
图1.10 特斯拉高压点亮氖泡和荧光灯的专利图片
现代特斯拉线圈的工作机制是：升压变压器通过次级线圈的增加获得更高交流电压，线圈与电容器组成谐振回路。交流电压通过放电间隙对谐振电容放电，产生高频电压。这个高频高压交流电输入到另一个变压器的原边，产生数百万伏的高压交流电，对金属圆环体充电。由于顶部圆环电压极高，会引起空气电离，产生巨大放电现象。
图1.11 当代特斯拉线圈的电路原理图
特斯拉曾设想建立巨大的放电塔，将整个地球充满电并点亮大气层。虽然这个想法不可行，但他的工作启发了古列尔莫·马可尼，后者最终实现了跨大西洋无线电报通信。
图1.12 Guglielmo Marconi