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特斯拉线圈原理详细讲解(理解制造闪电的“特斯拉线圈”及无线输电原理)

683次浏览     发布时间:2024-04-29 14:41:18    

无线网络、无线信号,这些名词早已经成为我们日常中极为常见的词汇。但是无线电力传输,到现在还是比较少听到的。

电能无线传输,就意味着我们以后不用到处挖沟、拉电杆、铺电线了,对于无处不用电的我们,是多大的方便啊。真的有无线传输电的技术吗?答案是肯定的,而且这项技术在100多年前已经出现。

无线电力传输概念,最先是尼古拉特斯拉提出的,没错,就是这个在网络上被吹成神的男人。最初他发明了现在某宝上还有得卖的“特斯拉线圈”,可以产生上百万伏高频电压,用于人工制造闪电,很是炫酷,也是吸引妹子的利器。“特斯拉线圈”看起来很玄乎,其实就是特殊的变压器(一种分布参数高频串联谐振变压器),其原理是利用变压器升压,然后通过LC振动,在次级线圈端产生高压电。次级线圈一端连接放电端,一端连接大地构成放电电容,当初/次两端谐振相同时,初级线圈的电就会涌向次级线圈,直到次级线圈放电端放电。

特斯拉利用他的发明,实现了无线隔空点亮灯泡的实验,但是特斯拉并不满足于此,他希望在全球范围内实现无线电力传输。于是他又发明了一种“放大发射机”,用于无线传输电力。其原理是把地球作为内导体,地球的电离层作为外导体,通过他的放大发射机,使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。

这种电能传播方式与广播不同的是,广播的能量最终会在空间损耗,而这种方式发射电能的机制在没有接收端时候,只交换无功能量用以保持共振的磁场,因此只有极小的损耗。特斯拉为此还建立了一座沃登克里弗塔来做测试,可惜最终没能如愿进行下去。关于特斯拉实验的终止,网络上很多阴谋论的声音,认为是利益集团从中的干涉,是否真假,这就很难了解了。但是从今天技术看来,特斯拉的这种大胆想法,虽然美好,理论也可行,但是存在电磁辐射和效率等问题,以目前的技术看来,不具备实用性。

特斯拉这种电力传输技术属于磁共振方式(注意,变压器变压是电磁感应原理,但是特斯拉线圈放电时磁共振原理,两者结构基本相同),其原理就是将电能发送端和接收端线圈调校成一共磁共振系统,当发送端产生的振荡磁场频率与接收端固有频率一致时,接收端就会发生共振,从而实现能量的传输。磁共振技术可以很好控制空间波长、空间磁长分布、传输能量,而且对人体无害,但是距离受到一定限制,另外一旦共振条件被破坏,就不能够传输电能。

2010年,海尔电视曾经推出“无尾电视”,也是采用"非辐射性磁耦合共振"的磁共振式无线电力传输技术,实现了一定距离的无线电力传输,这也是首次在电视机终端实现无线电力传输。

除了特斯拉发明的磁共振式无线电力传输方法,还有其他原理的无线电力传输技术,比如说微波无线电能传输。微波无线电能传输技术简写为MWPT,其原理是通过磁控管将电能转化为微波,让微波在自由空间中输送到指定目标,然后再转化为直流电。2015年,日本三菱重工就通过微波无线输电技术把500米外的灯泡点亮。

微波无线电能传输它优点就是无需介质传播,传输距离远、功率较大、损耗小,但远距离传输需要高效整流天线和高方向性天线,其研制难度较大,而且微波转电能的效率较低、对人体有害。

还有一种值得研究的光电无线电能传播方式,光电无线电能传输是以太赫兹频带的激光发射信号来传输电能,其原理是利用半导体的光伏效应将光能直接转换为电能的电能传输技术。光能传输技术优点是可以形成光束、发散角小,可以以很小的损耗进行长距离传输电,缺点就是相位控制困难,需要高精度的跟踪技术,并且容易受到天气及障碍物的阻挡。激光无线传输电,在航空航天领域的应用将会比较广泛,比如说美国就进行过用激光给给无人机输送电的实验。

当然,除了上面的电磁感应、磁共振、微波、激光等无线输电技术,还有电场耦合、电磁感应等方式。但是目前为止,各种传输方式都存在各种各样问题,有的是距离问题、有的是干扰问题、有的是控制问题、还有的是效率问题,因此无线电力输送距离工业应用还有很长的距离。但是在一些小功率、近距离的应用已经出现,如“无尾电视”、无线手机充电器等。

相信不久的将来,随着技术的不断发展,无线电力传输技术将应用到各个领域。届时人类的发展就像风筝一样,摆脱了线的束缚,将飞得更高、更快。

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