테슬라 코일

테슬라 코일

호주 캔버라 국립과학기술센터 퀘스타콘에 있는 테슬라 코일
사용하다	교육용 시연, 참신한 조명, 음악에 적용
발명가	니콜라 테슬라
관련항목	변압기, 전자기장, 공진

테슬라 코일은 발명가 Nikola Tesla에 의해 1891년에 설계된 전기 공진 변압기 회로입니다.^[1]고전압, 저전류, 고주파 교류 전기를 생산하는 데 사용됩니다.^[2]Tesla는 두 개 또는 때로는 세 개의 결합된 공진 전기 회로로 구성된 다양한 구성을 실험했습니다.

테슬라는 이러한 회로를 이용하여 전기 조명, 인광, X선 발생, 고주파 교류 현상, 전기 치료, 전선 없이 전기 에너지를 전달하는 혁신적인 실험을 수행했습니다.테슬라 코일 회로는 1920년대까지 무선 전신을 위한 스파크 갭 무선 송신기에서 상업적으로 사용되었고,^[1][3] 전기 치료 및 바이올렛 광선 장치와 같은 의료 장비에서 사용되었습니다.오늘날, 소형 코일은 여전히 고진공 시스템의 누출 감지기로 사용되지만, 그들의 주된 용도는 오락 및 교육용 디스플레이입니다.^[4][5]

원래 테슬라 코일은 고정된 스파크 갭 또는 회전식 스파크 갭을 사용하여 공진 회로의 간헐적인 여기를 제공했습니다. 최근에는 전자 장치를 사용하여 필요한 스위칭 동작을 제공합니다.

작동

Tesla 코일은 낮은 전류에서 높은 전압을 생성하기 위해 공심 이중 튜닝된 공진 변압기를 구동하는 무선 주파수 발진기입니다.^{[3][6][7][8][9][10]}Tesla의 원래 회로와 현대 코일은 조정된 변압기의 진동을 자극하기 위해 단순한 스파크 갭을 사용합니다.더 정교한 설계는 트랜지스터 또는 사이리스터^[6] 스위치 또는 진공관 전자 발진기를 사용하여 공진형 변압기를 구동합니다.

테슬라 코일은 대형 코일의 경우 출력 전압을 50킬로볼트에서 수백만 볼트까지 생산할 수 있습니다.^[6][8][10]교류 출력은 보통 50kHz에서 1MHz 사이의 낮은 무선 주파수 범위에 있습니다.^[8][10]일부 오실레이터 구동 코일은 연속적인 교류 전류를 생성하지만, 대부분의 테슬라 코일은 펄스 출력을 가지며,^[6] 고전압은 무선 주파수 교류 펄스의 급속한 열로 구성됩니다.

아래에 표시된 일반적인 스파크 여자 테슬라 코일 회로는 다음과 같은 구성 요소로 구성됩니다.^[7][11]

• 고전압 공급 변압기(T)는 AC 주전원 전압을 스파크 갭을 뛰어넘을 수 있을 만큼 충분히 높은 전압까지 승압합니다.일반적인 전압은 5~30킬로볼트(kV) 사이입니다.^[11]
• 테슬라 트랜스포머의 1차 권선(L1)과 함께 동조된 회로를 형성하는 커패시터(C1)
• 1차 회로에서 스위치 역할을 하는 스파크 갭(SG)
• 높은 출력 전압을 발생시키는 공심 이중 튜닝 공진 변압기인 테슬라 코일(L1, L2).
• 선택적으로, 코일의 2차측 단자에 부착된 매끄러운 금속 구 또는 토러스 형태의 정전용량형 전극(탑로드)(E).표면적이 넓어 조기 공기 파괴와 아크 배출을 억제해 Q 팩터와 출력 전압을 높입니다.

공진변압기

테슬라 코일 회로(L1, L2)에 사용되는 특수 변압기는 공진 변압기, 발진 변압기 또는 RF(Radio-frequency) 변압기로 불리며, 교류 전원 회로에 사용되는 일반 변압기와는 다른 기능을 합니다.^[12][13][14]일반적인 변압기는 1차 권선에서 2차 권선으로 에너지를 효율적으로 전달하도록 설계된 반면, 공진형 변압기는 전기 에너지를 일시적으로 저장하도록 설계되었습니다.각 권선에는 전기 용량이 있으며 LC 회로(공진 회로, 튜닝 회로)로 기능하며, 튜닝 포크가 진동하는 기계적 에너지를 저장하는 방식과 유사하게 진동하는 전기 에너지를 저장합니다.무거운 구리 와이어 또는 튜빙의 비교적 적은 회전으로 구성된 1차 코일(L1)은 스파크 갭(SG)을 통해 커패시터(C1)에 연결됩니다.^[6][7]2차 코일(L2)은 1차 내부의 중공 원통형 형태의 미세 와이어를 다수 회(수백~수천 회)로 구성되어 있습니다.이차는 실제 커패시터와 연결되지는 않지만 LC 회로로서도 기능하고, (L2)의 인덕턴스는 Stray capacitance(C2)와 공진하고, 코일 권선 사이의 Stray pasitive capacitance의 합과 고전압 단자에 부착된 toroidal metal 전극의 capacitance.1차 및 2차 회로는 동일한 공진 주파수를 갖도록 조정되므로,^[5] 마치 결합된 오실레이터처럼 에너지를 교환합니다. 각 스파크가 발생할 때마다 저장된 에너지가 1차 및 2차 사이를 빠르게 왕복합니다.

코일의 독특한 설계는 고주파수에서 낮은 저항 에너지 손실(높은 Q 팩터)을 달성할 필요성에 의해 결정되며,^[8] 이로 인해 가장 큰 2차 전압이 발생합니다.

• 일반적인 전력 변환기는 코일 사이의 자기 결합을 증가시키기 위해 철심을 가지고 있습니다.그러나 높은 주파수에서 철심은 와전류와 히스테리시스로 인한 에너지 손실을 초래하므로 테슬라 코일에는 사용되지 않습니다.^[14]
• 일반적인 변압기는 "엄격하게 결합"되도록 설계되었습니다.1차와 2차 모두 철심 주위에 단단히 감겨 있습니다.철심과 권선의 근접성으로 인해 높은 상호 인덕턴스(M)를 가지며, 결합 계수는 0.95–1.0에 가까우며, 이는 1차 권선의 거의 모든 자기장이 2차 권선을 통과함을 의미합니다.^[12][14]대조적으로 테슬라 변압기는 "느슨하게 결합"되어 있고,^[6][14] 1차 권선은 직경이 더 크고 2차 권선과 이격되어 있으므로 ^[7]상호 인덕턴스는 더 낮고 결합 계수는 0.05~0.2에 불과합니다.^[15]이것은 1차 코일의 자기장의 5% 내지 20%만이 2차 코일이 개방된 상태에서 통과한다는 것을 의미합니다.^[6][11]느슨한 결합으로 인해 1차 코일과 2차 코일 사이의 에너지 교환 속도가 느려지고, 이를 통해 발진 에너지가 1차 코일로 되돌아가 스파크에서 소멸되기 전까지 2차 회로에 더 오래 머물 수 있습니다.
• 각각의 권선은 또한 단일 층의 와이어로 제한되므로 근접 효과 손실이 줄어듭니다.프라이머리는 매우 높은 전류를 전달합니다.고주파 전류는 대부분 피부 효과로 인해 도체 표면에 흐르기 때문에 저항을 줄이기 위해 표면적이 넓은 구리 배관이나 스트립으로 제작되는 경우가 많고, 턴이 이격되어 있어 근접 효과 손실과 턴 사이의 아크를 줄일 수 있습니다.^[16][17]

출력 회로는 다음과 같은 두 가지 형태를 가질 수 있습니다.

• 단극성:이차 권선의 한쪽 끝은 단일 고전압 단자에 연결되고, 다른 쪽 끝은 접지됩니다.이 유형은 엔터테인먼트용으로 설계된 현대 코일에 사용됩니다.1차 권선은 권선 사이의 호를 최소화하기 위해 2차 측의 저전위 하단 근처에 위치합니다.접지(지구)가 고전압의 리턴 경로 역할을 하기 때문에 단자의 스트리머 아크는 가까운 접지된 물체로 점프하는 경향이 있습니다.
• 양극성:2차측 권선의 어느 쪽도 접지되지 않고, 양쪽 모두 고전압 단자로 인출됩니다.1차 권선은 2차 코일의 중심에 위치하며, 두 개의 고전위 단자 사이에서 등거리를 유지하여 아킹을 방지합니다.

조업주기

회로는 공급 변압기(T)가 1차 커패시터(C1)를 충전한 후 스파크 갭을 통해 스파크 내에서 방전하여 1차 회로에 짧은 발진 전류 펄스를 생성하여 2차 회로에 높은 발진 전압을 발생시킵니다.^{[9][11][14][18]}

1. 공급 변압기(T)의 전류는 캐패시터(C1)를 고전압으로 충전합니다.
2. 커패시터 양단의 전압이 스파크 갭(SG)의 파괴 전압에 도달하면 스파크가 시작되어 스파크 갭 저항이 매우 낮은 값으로 감소합니다.그러면 1차 회로가 완성되고 커패시터의 전류가 1차 코일(L1)을 통해 흐릅니다.전류는 코일을 통해 커패시터의 플레이트 사이를 빠르게 앞뒤로 흐르며 회로의 공진 주파수에서 1차 회로에 무선 주파수 발진 전류를 생성합니다.
3. 1차 권선의 진동 자기장은 패러데이 유도 법칙에 의해 2차 권선(L2)에 진동 전류를 유도합니다.1차 회로의 에너지는 여러 번의 사이클을 거쳐 2차 회로로 전달됩니다.튜닝된 회로의 총 에너지는 원래 커패시터 C1에 저장된 에너지로 제한되므로, 2차의 발진 전압이 진폭이 증가("링 업")하면 1차의 발진이 0으로 감소합니다.보조 코일의 끝이 열려 있지만 코일의 회전 사이의 기생 커패시턴스와 토로이드 전극 E의 커패시턴스의 합인 커패시턴스(C2)로 인해 조정 회로의 역할도 수행합니다.전류는 2차 코일을 통해 그 양단 사이로 빠르게 앞뒤로 흐릅니다.용량이 작기 때문에 출력 단자에 나타나는 2차 코일의 발진 전압은 1차 전압보다 훨씬 큽니다.
4. 2차 전류는 1차 코일에 전압을 다시 유도하는 자기장을 생성하고, 몇 번의 추가 사이클에 걸쳐 에너지가 1차로 다시 전달되어 2차의 발진 전압이 감소합니다("링 다운").이 과정이 반복되면서 에너지가 1차 및 2차 튜닝된 회로 사이를 왔다 갔다 하며 빠르게 이동합니다.1차 및 2차의 진동 전류는 스파크 갭의 열과 코일의 저항으로 인해 소멸되는 에너지로 인해 점차 소멸됩니다.
5. 스파크 갭을 통과하는 전류가 더 이상 갭 내의 공기를 이온화하기에 충분하지 않으면, 스파크가 멈추고("퀀치"), 1차 회로의 전류가 종료됩니다.2차측의 발진 전류가 한동안 계속될 수 있습니다.
6. 공급 변압기의 전류가 커패시터 C1을 다시 충전하기 시작하고 사이클이 반복됩니다.

이 전체 주기는 매우 빠르게 진행되며, 진동은 밀리초 단위의 시간 안에 사라집니다.스파크 갭을 가로지르는 각 스파크는 코일의 출력 단자에서 감쇠된 정현파 고전압 펄스를 생성합니다.각 펄스는 다음 스파크가 발생하기 전에 소멸되므로 코일은 연속적인 정현파 전압이 아닌 감쇠파를 생성합니다.^[9]커패시터를 충전하는 공급 변압기의 고전압은 50Hz 또는 60Hz 사인파입니다.스파크 갭을 설정하는 방법에 따라 일반적으로 주 전류의 반주기마다 1~2개의 스파크가 발생하므로 초당 100개 이상의 스파크가 발생합니다.따라서 스파크 갭의 스파크는 코일 상단의 고전압 스트리머와 마찬가지로 연속적으로 나타납니다.

공급 변압기(T) 보조 권선은 1차 튜닝 회로를 통해 연결됩니다.변압기가 RF 전류의 누설 경로가 되어 진동을 감쇠시키는 것처럼 보일 수 있습니다.그러나 큰 인덕턴스는 공진 주파수에서 매우 높은 임피던스를 제공하므로 발진 전류에 대해 개방 회로로 작용합니다.공급 변압기의 단락 인덕턴스가 부적절한 경우 라디오 주파수 초크가 2차 리드에 배치되어 RF 전류를 차단합니다.

발진주파수

가장 큰 출력 전압을 생성하기 위해 1차 및 2차 튜닝된 회로는 서로 공진하도록 조정됩니다.^[8][9][12]1차 및 2차 회로의 공진 주파수인 ${\displaystyle {f1\mathrm{}}_{}}$ ${\$ 및$$ ${\displaystyle {f2\mathrm{}}_{}}$ ${\$는$$각 회로의 인덕턴스와 캐패시턴스에 따라 결정됩니다.^[8][9][12]

${\displaystyle f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}\,}$

일반적으로 보조 회로는 조정할 수 없기 때문에 보조 회로와 동일한 주파수로 공진할 때까지 일반적으로 1차 코일 L을₁ 이동 가능한 탭으로 조정됩니다.

${\displaystyle f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}\,}$

따라서 1차와 2차 사이의 공진 조건은 다음과 같습니다.

${\displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\,}$

Tesla 코일의 공진 주파수는 낮은 라디오 주파수(RF) 범위이며, 보통 50kHz에서 1MHz 사이입니다.그러나 스파크의 충동성 때문에 광대역 무선 잡음이 발생하고, 차폐 없이는 RFI의 상당한 원인이 되어 근처의 라디오 및 텔레비전 수신을 방해할 수 있습니다.

출력전압

공진형 변압기에서 고전압은 공진에 의해 생성됩니다. 출력 전압은 일반적인 변압기와 마찬가지로 턴비에 비례하지 않습니다.^[14][19]그것은 에너지 보존으로부터 대략적으로 계산될 수 있습니다.스파크가 시작되는 사이클의 초기에, 1차 회로 ${\displaystyle W_{}}$의 모든 에너지 ${\$가 1차 커패시터 ${\displaystyle {C1\mathrm{}}_{}}$ ${\$에 저장됩니다$.$ ${\displaystyle {V1\mathrm{}}_{}}${\$displaystyle V_{1}$가 스파크 갭이 파괴되는 전압이고, 대개 공급 변압기 T의 피크 출력 전압에 가까운 전압이라면, 이는에너지는

${\displaystyle W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,}$

"링업" 중에 이 에너지는 2차 회로로 전달됩니다.일부는 스파크 및 기타 저항에서 열로 손실되지만, 현대 코일의 경우 에너지의 85% 이상이 2차측에 도달합니다.^[9]2차 정현파 전압 파형의 피크(${\displaystyle {V2\mathrm{}}_{}}$ ${\$에서 2차 ${\displaystyle {W2\mathrm{}}_{}}$ ${\$의 모든 에너지가 2차 코일 끝단 사이의$$ 정전용량 ${\displaystyle {C2\mathrm{}}_{}}$ ${\$에 저장됩니다.

${\displaystyle W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,}$

에너지 손실이 없다고 가정할 때, $W$ ${\displaystyle 2_{}}$ = W ${\displaystyle 1_{}}$ ${\displaystyle W_{2$}\;=\;$W_{1$ 이 식을 대입하여 간단히 설명하면, 2차 피크 전압은^[8][9][14]

상기 제2 공식은 공진 조건 ${\displaystyle {L1}_{}}$ ${\displaystyle {C1}_{}}$ = ${\displaystyle {L2}_{}}$ ${\displaystyle {C2}_{}}$ ${\displaystyle L_{1}C_{1$}\;=\;를 이용하여 제1 공식으로부터 유도된 것인, 장치$L_{2}C_{2$^[14] 1차 커패시터에 비해 2차 코일의 정전용량이 매우 작기 때문에 1차 전압이 높은 값으로 승압됩니다.^[9]

상기 피크 전압은 공기 방전이 발생하지 않는 코일에서만 달성됩니다. 엔터테인먼트 코일과 같이 스파크가 발생하는 코일에서는 단자의 피크 전압이 공기가 파괴되어 전도성이 되는 전압으로 제한됩니다.^[9][14][16]전압 펄스 때마다 출력 전압이 높아지면 고전압 단자 옆 공기가 이온화하고 단자에서 코로나, 브러시 방전, 스트리머 아크가 발생하는 지점에 도달합니다.이것은 전기장의 세기가 공기의 유전 세기인 센티미터 당 약 30 kV를 초과할 때 발생합니다.전기장은 뾰족한 지점과 가장자리에서 가장 크기 때문에 고전압 단자의 이 지점에서 공기가 방전되기 시작합니다.2차 권선에서 단자로 펌핑된 추가 전하가 공기 중으로 유출되기 때문에 고전압 단자의 전압은 공기 파괴 전압 이상으로 증가할 수 없습니다.공기 분해에 의해 개방형 Tesla 코일의 출력 전압은 몇 백만 볼트로 제한되지만 ^[5]절연유의 가압 탱크에 잠기면 더 높은 전압을 얻을 수 있습니다.

탑 로드 또는 "토로이드" 전극

대부분의 Tesla 코일 디자인은 전압이 높은 단자에 부드러운 구형 또는 토로이드 형태의 금속 전극을 가지고 있습니다.전극은 콘덴서의 한 판 역할을 하고 지구는 다른 판 역할을 하며 2차 권선과 함께 튜닝된 회로를 형성합니다."토로이드"는 2차 정전용량을 증가시켜 피크 전압을 감소시키는 경향이 있지만, 주요 효과는 직경이 큰 곡면이 고전압 단자의 전위 구배(전기장)를 감소시킨다는 것이며, 이는 코로나 링과 유사한 기능을 합니다.코로나 및 브러시 방전 등의 공기 방전이 발생하는 전압 임계값을 높이는 것입니다.^[20]조기 공기 파괴와 에너지 손실을 억제하면 파형의 피크에 전압이 더 높은 값으로 형성되어 공기가 최종적으로 배출될 때 더 길고 더 화려한 스트리머가 생성됩니다.^[14]

상부 전극이 충분히 크고 매끄러우면 표면의 전기장이 피크 전압에서도 절대로 충분히 높아지지 않아 공기가 방전되지 않을 수 있습니다.일부 엔터테인먼트 코일에는 배출을 시작하기 위해 토러스에서 돌출된 날카로운 "스파크 포인트"가 있습니다.^[20]

종류들

"테슬라 코일"이라는 용어는 다수의 고전압 공진 변압기 회로에 적용됩니다.

흥분

Tesla 코일 회로는 사용하는 "여기(excitation)"의 유형, 공진 변압기의 1차 권선에 전류를 인가하는 데 사용되는 회로 유형에 따라 분류할 수 있습니다.^[5][21][22]

• 스파크 여기 또는 스파크 갭 테슬라 코일(SGTC):이 유형은 스파크 갭을 사용하여 1차 회로를 폐쇄하고 공진 변압기에서 진동을 자극합니다.스파크 갭은 높은 1차 전류를 처리해야 하기 때문에 단점이 있습니다.작동 중 매우 큰 소음, 유해한 오존 가스, 냉각 시스템이 필요할 수 있는 고온 등이 발생합니다.스파크에서 발산되는 에너지는 Q 팩터와 출력 전압도 감소시킵니다.테슬라의 코일들은 모두 불꽃이 튀었습니다.
  • 정적 스파크 갭:이 유형은 가장 일반적인 유형으로, 앞 절에서 자세히 설명했습니다.대부분의 엔터테인먼트 코일에 사용됩니다.고전압 공급 변압기의 교류 전압은 커패시터를 충전하고, 커패시터는 스파크 갭을 통해 방전됩니다.스파크 속도는 조정할 수 없지만 50Hz 또는 60Hz 라인 주파수에 의해 결정됩니다.각 반주기마다 여러 개의 스파크가 발생할 수 있으므로 출력 전압의 펄스가 등간격으로 배치되지 않을 수 있습니다.
  • 정적 트리거 스파크 갭: 상용 및 산업 회로는 종종 전원 공급기에서 직류 전압을 인가하여 커패시터를 충전하고, 트리거 전극에 인가된 오실레이터에서 생성된 고전압 펄스를 사용하여 스파크를 트리거합니다.^[6][22]이를 통해 스파크 속도와 흥미진진한 전압을 제어할 수 있습니다.상용 스파크 갭은 종종 육불화황과 같은 절연 가스 분위기에 둘러싸여 있어 길이를 줄여 스파크 내 에너지 손실을 줄입니다.
  • 회전 스파크 갭:이들은 모터에 의해 고속으로 회전하는 바퀴 주변의 전극으로 구성된 스파크 갭을 사용하는데, 이들 전극이 정지된 전극을 통과할 때 스파크가 발생합니다.^[22]Tesla는 그의 큰 코일에 이 타입을 사용했고, 그것들은 오늘날 큰 엔터테인먼트 코일에 사용됩니다.전극의 빠른 분리 속도는 스파크를 빠르게 퀀칭하여 "첫 번째 노치" 퀀칭을 가능하게 하여 높은 전압을 제공합니다.휠은 일반적으로 동기식 모터에 의해 구동되므로 스파크는 AC 라인 주파수와 동기화되며, 스파크는 각 사이클의 AC 파형에서 동일한 지점에서 발생하므로 1차 펄스는 반복 가능합니다.
• 스위치드 또는 솔리드 스테이트 테슬라 코일(SSTC):이들은 전력 반도체 장치, 일반적으로 MOSFET 또는 IGBT와 같은 사이리스터 또는 트랜지스터를 사용하며,^[6] 1차 권선을 통해 DC 전원 공급기의 전압 펄스를 스위칭하기 위한 솔리드 스테이트 오실레이터 회로에 의해 트리거됩니다.^[22]그것들은 큰 소음, 높은 온도, 그리고 낮은 효율과 같은 스파크 갭의 단점 없이 펄스 여기를 제공합니다.전압, 주파수 및 여기 파형을 세밀하게 제어할 수 있습니다.SSTC는 대부분의 상업, 산업 및 연구 분야에서^[6] 사용되며 고품질 엔터테인먼트 코일에도 사용됩니다.
  • SRSSTC(Single Resonance Solid State Tesla Coil): 이 회로에서는 1차측에 공진 커패시터가 없으므로 이중 튜닝된 회로가 아닙니다. 2차측에만 해당됩니다.스위칭 트랜지스터에서 1차측으로 공급되는 전류는 2차 튜닝된 회로에서 공진을 유발합니다.단일 조정된 SSTC는 더 간단하지만, 공진 회로는 총 Q 팩터가 2차측 공진에만 의존합니다.
  • 이중 공진 고체 상태 테슬라 코일(DRSSTC):회로는 이중 튜닝된 스파크 여기 회로와 유사하지만, 1차 회로의 AC 공급 변압기(T) 대신 DC 전원 공급 장치가 커패시터를 충전하고 스파크 갭 반도체 스위치 대신 커패시터와 1차 코일 사이의 회로를 완성합니다.
  • 노래하는 테슬라 코일 또는 뮤지컬 테슬라 코일:이것은 별개의 흥분 유형이 아니라 고체 상태의 1차 회로를 변형하여 악기처럼 연주할 수 있는 테슬라 코일을 만들고, 고전압 방전으로 단순한 음조를 재현합니다.1차측에 인가되는 구동 전압 펄스는 솔리드 스테이트 "인터럽터" 회로에 의해 오디오 속도로 변조되어 고전압 단자에서 아크 방전이 발생합니다.지금까지는 음색과 간단한 화음만 만들어졌을 뿐, 코일은 복잡한 음악이나 음성 소리를 재생하는 라우드스피커 역할을 할 수 없습니다.소리 출력은 MIDI 인터페이스를 통해 회로에 적용된 키보드 또는 MIDI 파일에 의해 제어됩니다.AM(exciting voltage의 진폭 변조)과 PFM(pulse-frequency modulation)의 두 가지 변조 기술이 사용되었습니다.이것들은 주로 오락을 위한 소설로 지어집니다.
• 연속파:이 중 변압기는 피드백 발진기에 의해 구동되며, 이는 RF 전류의 각 주기마다 1차 권선에 전류 펄스를 인가하여 연속적인 진동을 유발합니다.^[22]1차 튜닝된 회로는 발진기의 탱크 회로 역할을 하며, 회로는 라디오 송신기와 유사합니다.펄스 출력을 생성하는 이전 회로와 달리 연속 사인파 출력을 생성합니다.전력 진공관은 보다 견고하고 과부하에 잘 견디기 때문에 트랜지스터 대신 능동 소자로 사용되는 경우가 많습니다.일반적으로 연속 가진은 펄스 가진보다 주어진 입력 전력에서 더 낮은 출력 전압을 생성합니다.^[22]

코일수

Tesla 회로는 다음과 같이 공진 코일(인덕터)의 개수에 따라 구분할 수 있습니다.^[23][24]

• 2개의 코일 또는 이중 공진 회로:사실상 현재의 모든 테슬라 코일은 전류 펄스가 인가되는 1차 권선과 1891년 테슬라에 의해 발명된 고전압을 생성하는 2차 권선으로 구성된 2개의 코일 공진 변압기를 사용합니다."테슬라 코일"이라는 용어는 일반적으로 이러한 회로를 말합니다.
• 3개의 코일, 3중 공진 회로 또는 확대 회로:이것들은 테슬라가 1898년 이전에 실험을 시작하여 콜로라도 스프링스 연구소에 설치하고 1902년에 특허를 받은 "확대 송신기" 회로에 기반을 둔 세 개의 코일이 있는 회로입니다.^[25][26][27]Tesla 트랜스포머와 유사한 2개의 코일 에어코어 스텝업 트랜스포머로 구성되어 있으며, 2차측 코일은 "추가" 또는 "공진기" 코일이라 불리는 다른 코일과 자기적으로 연결되지 않고 직렬로 공급되어 자체 용량으로 공진합니다.출력은 이 코일의 자유단에서 취합니다.세 개의 에너지 저장 탱크 회로의 존재는 이 회로에 더 복잡한 공진 거동을 제공합니다.^[28]그것은 연구의 주제이지만, 몇몇 실용적인 응용에서 사용되었습니다.

역사

전기 진동과 공진 공기-코어 변압기 회로는 테슬라 이전에 연구된 바 있습니다.^[36][35]레이든 항아리를 사용하는 공명 회로는 펠릭스 사베리, 조셉 헨리, 윌리엄 톰슨, 올리버 로지에 의해 1826년부터 발명되었습니다.^[37]그리고 헨리 롤랜드는 1889년에 공명하는 변압기를 만들었습니다.^[30]Elihu Thomson은 Tesla가 발명한 동시에 Tesla 코일 회로를 독립적으로 발명했습니다.^{[38][39][40][29]}테슬라는 1891년 4월 25일에 그의 테슬라 코일 회로의 특허를 받았고 ^[41][42]1891년 5월 20일에 뉴욕 컬럼비아 대학의 미국 전기 공학회 앞에서 그의 강의 "매우 높은 주파수의 교류에 의한 실험과 인공 조명 방법에 대한 그들의 적용"에서 그것을 처음으로 공개적으로 시연했습니다.^[43][44][33]이 기간 동안 테슬라는 많은 유사한 회로에 대한 특허를 받았지만, 이것은 테슬라 코일의 모든 요소를 포함한 최초의 것이었습니다: 고압 1차 변압기, 축전기, 스파크 갭, 공기 코어 "진동 변압기".

오늘날의 테슬라 코일

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현대의 고전압 애호가들은 보통 Tesla의 "나중에" 2-코일 에어코어 디자인의 일부와 유사한 Tesla 코일을 만듭니다.이것들은 일반적으로 1차 탱크 회로, 고전압 커패시터, 스파크 갭 및 1차 코일로 구성된 직렬 LC(유도-용량) 회로, 그리고 2차 코일과 단자 용량 또는 "탑로드"로 구성된 직렬-공진 회로로 구성됩니다.테슬라의 더 진보된 (확대기) 디자인에는 세 번째 코일이 추가됩니다.2차 LC 회로는 별도의 제3 코일 나선형 공진기의 저면을 구동하는 견고하게 결합된 공기-코어 변압기 2차 코일로 구성됩니다.현대의 2코일 시스템은 1개의 2차 코일을 사용합니다.그러면 보조 장치의 상단이 탑로드 단자에 연결되고, 탑로드 단자는 커패시터의 '플레이트' 하나를 형성하며, 다른 '플레이트'는 접지(또는 접지)입니다.1차 LC 회로는 2차 LC 회로와 동일한 주파수에서 공진하도록 조정됩니다.1차 코일과 2차 코일이 자기적으로 결합되어 이중 튜닝된 공진형 공기-코어 변압기가 생성됩니다.이전의 오일 절연 테슬라 코일은 공기 중 방전을 방지하기 위해 고전압 단자에 크고 긴 절연체를 필요로 했습니다.나중에 테슬라 코일은 전기장을 더 먼 거리에 분산시켜 높은 전기 스트레스를 방지하고, 이를 통해 자유 공기에서 작동할 수 있게 됩니다.대부분의 현대 테슬라 코일은 또한 토로이드 형태의 출력 단자를 사용합니다.이들은 종종 방사 금속 또는 유연한 알루미늄 덕트로 제작됩니다.토로이달 모양은 스파크를 1차 및 2차 권선에서 바깥쪽으로 유도하여 2차측 상단 부근의 높은 전기장을 제어하는 데 도움이 됩니다.

테슬라에 의해 "확대기"라고 불리는 테슬라 코일의 더 복잡한 버전은 더 단단히 결합된 공심 공진 "드라이버" 변압기(또는 "마스터 오실레이터")와 상대적으로 작은 코일 형태의 회전 수가 많은 더 작고 원격에 위치한 출력 코일("추가 코일" 또는 간단히 공진기"라고 함)을 사용합니다.운전석 보조 권선의 하단은 접지와 연결되어 있습니다.반대쪽 끝은 절연 도체를 통해 여분 코일의 바닥에 연결되며, 이 도체를 전송선이라고도 합니다.전송 라인은 비교적 높은 RF 전압에서 작동하기 때문에 코로나 손실을 줄이기 위해 일반적으로 1" 직경의 금속 튜빙(tubing)으로 제작됩니다.제3 코일은 구동부와 어느 정도 떨어진 곳에 위치하기 때문에, 자기적으로 결합되지 않습니다.RF 에너지는 대신 드라이버의 출력에서 세 번째 코일의 바닥으로 직접 연결되어 매우 높은 전압으로 "링업"됩니다.두 코일 드라이버와 세 번째 코일 공진기의 조합은 시스템에 또 다른 자유도를 추가하여 2 코일 시스템의 튜닝보다 훨씬 더 복잡한 튜닝을 만듭니다.다중 공진 네트워크(테슬라 확대기가 하위 집합임)에 대한 과도 응답은 최근에야 해결되었습니다.^[45]현재 다양한 유용한 튜닝 "모드"를 사용할 수 있으며, 대부분의 작동 모드에서 여분의 코일이 마스터 오실레이터와 다른 주파수로 링잉되는 것으로 알려져 있습니다.^[46]

1차 스위칭

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현대의 트랜지스터 또는 진공관 테슬라 코일은 1차 스파크 갭을 사용하지 않습니다.대신, 트랜지스터 또는 진공 튜브는 1차 회로의 RF 전력을 생성하는 데 필요한 스위칭 또는 증폭 기능을 제공합니다.고체 테슬라 코일은 가장 낮은 1차 동작 전압(일반적으로 155~800볼트)을 사용하며, 1차 전류를 스위칭하기 위해 트랜지스터, MOSFET 또는 IGBT의 단일, 하프 브리지 또는 풀 브리지 배열을 사용하여 1차 권선을 구동합니다.진공관 코일은 일반적으로 1500~6000볼트의 판 전압으로 작동하는 반면, 대부분의 스파크 갭 코일은 6,000~25,000볼트의 1차 전압으로 작동합니다.종래의 트랜지스터 테슬라 코일의 1차 권선은 2차 코일의 바닥부에만 권선되어 있습니다.이 구성은 펌핑 공진기로서의 2차측의 동작을 예시합니다.1차측은 교류 전압을 2차측 하단부에 '유도'하여 주기적인 '푸시'를 제공합니다(놀이터 스윙에 적절한 타이밍의 푸시를 제공하는 것과 유사).추가 에너지는 각 "푸시" 및 2차 출력 전압 빌드("링업"이라고 함) 동안 1차에서 2차 인덕턴스 및 탑로드 캐패시턴스로 전달됩니다.전자 피드백 회로는 일반적으로 일차 발진기를 이차에서 증가하는 공진에 적응적으로 동기화하는 데 사용되며, 이는 합리적인 최대 부하(top-load)의 초기 선택을 넘어서는 유일한 튜닝 고려 사항입니다.

이중 공진 고체 테슬라 코일(DRSSTC)에서 고체 테슬라 코일의 전자적 스위칭은 스파크 갭 테슬라 코일의 공진 1차 회로와 결합됩니다.코일의 1차 권선에 커패시터를 직렬로 연결하여 공진 1차 회로를 구성하므로, 이 조합은 2차 회로에 가까운 공진 주파수를 갖는 직렬 탱크 회로를 형성합니다.추가 공진 회로로 인해 수동 및 적응형 튜닝 조정이 하나 필요합니다.또한 인터럽터는 스위칭 브리지의 듀티 사이클을 줄이고 피크 전력 능력을 향상시키기 위해 일반적으로 사용됩니다. 마찬가지로 IGBT는 전력 처리 특성이 우수하기 때문에 바이폴라 접합 트랜지스터나 MOSFET보다 이 응용 분야에서 더 인기가 있습니다.전류 제한 회로는 일반적으로 최대 1차 탱크 전류(IGBT에 의해 스위칭되어야 함)를 안전 수준으로 제한하는 데 사용됩니다.DRSSTC의 성능은 중간 전력 스파크 갭 테슬라 코일과 유사할 수 있으며, 효율성(스파크 길이 대 입력 전력으로 측정)은 동일한 입력 전력에서 작동하는 스파크 갭 테슬라 코일보다 상당히 클 수 있습니다.

디자인의 실용적 측면

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고전압 생산량

보다 현대적인 디자인의 대형 Tesla 코일은 종종 최대 수 메가와트(수백만 와트, 수천 마력에 해당)의 매우 높은 피크 전력 레벨에서 작동합니다.따라서 효율성과 경제성뿐만 아니라 안전성을 위해 신중하게 조정되고 작동됩니다.부적절한 튜닝으로 인해 단자 아래에서 최대 전압점이 발생하면 2차 코일을 따라 방전(스파크)이 발생하여 코일 와이어, 지지대 또는 주변 물체를 손상시키거나 파괴할 수 있습니다.

Tesla는 이러한 회로 구성과 다른 많은 회로 구성을 실험했습니다(오른쪽 참조).테슬라 코일 1차 권선, 스파크 갭 및 탱크 커패시터는 직렬로 연결됩니다.각 회로에서 AC 공급 변압기는 전압이 스파크 갭을 분해할 수 있을 때까지 탱크 커패시터를 충전합니다.갭이 갑자기 점화되어 충전된 탱크 커패시터가 1차 권선으로 방전될 수 있습니다.갭 화재가 발생하면 두 회로의 전기적 거동이 동일합니다.실험 결과 두 회로 모두 다른 회로에 비해 뚜렷한 성능상의 이점을 제공하지 못하는 것으로 나타났습니다.

그러나 일반적인 회로에서 스파크 갭의 단락 작용은 고주파 진동이 공급 변압기로 '백업'되는 것을 방지합니다.대체 회로에서는 커패시터에 걸쳐 나타나는 높은 진폭의 고주파 진동이 공급 변압기의 권선에도 적용됩니다.이는 턴 사이에 코로나 방전을 유도하여 변압기의 절연을 약화시키고 결국 파괴할 수 있습니다.경험이 풍부한 Tesla 코일 제작자들은 거의 독점적으로 최상위 회로를 사용하며, 공급 변압기와 스파크 갭 사이의 저역 통과 필터(저항기 및 커패시터(RC))로 회로를 보강하여 공급 변압기를 보호합니다.이는 네온사인 변압기(NST)와 같이 취약한 고전압 권선을 가진 변압기를 사용할 때 특히 중요합니다.어떤 구성을 사용하든 간에 HV 변압기는 내부 단락 인덕턴스를 통해 2차 전류를 자체적으로 제한하는 유형이어야 합니다.일반적인(낮은 단락 인덕턴스) 고전압 변압기는 전류를 제한하기 위해 외부 제한기(밸러스트라고도 함)를 사용해야 합니다.NST는 단락 전류를 안전 수준으로 제한하기 위해 높은 단락 인덕턴스를 갖도록 설계되었습니다.

튜닝

1차 코일의 공진 주파수는 저전력 진동을 사용하여 2차 코일의 공진 주파수로 조정된 다음 시스템이 최대 전력에서 정상적으로 작동할 때까지 전력을 증가시킵니다(필요한 경우 재튜닝).튜닝하는 동안 코로나를 자극하고 주변 공기로 방전(때로는 스트리머라고도 함)을 촉진하기 위해 상단 단자에 작은 돌기(돌파 방지 돌기)를 추가하는 경우가 많습니다.그러면 1차 코일과 2차 코일 사이의 주파수 일치에 대응하여 주어진 전력 레벨에서 가장 긴 스트리머를 달성하도록 튜닝을 조정할 수 있습니다.스트리머에 의한 용량성 "로딩"은 최대 전력 하에서 작동하는 테슬라 코일의 공진 주파수를 낮추는 경향이 있습니다.토로이달 탑로드는 종종 구와 같은 다른 형상보다 선호됩니다.2차 직경보다 훨씬 큰 주경을 가진 토로이드는 최고 부하에서 전기장의 형상을 개선합니다.이를 통해 유사한 직경의 구보다 2차 권선(스트리머 스트라이크 손상 방지)을 더 잘 보호할 수 있습니다.또한 토로이드를 사용하면 탑로드 캐패시턴스 대 스파크 브레이크아웃 전압을 상당히 독립적으로 제어할 수 있습니다.토로이드의 정전용량은 주로 장경의 함수이고, 스파크 브레이크아웃 전압은 주로 장경의 함수입니다.GDO(grid dip oscillator)는 초기 조정을 용이하게 하고 설계를 돕기 위해 사용되기도 합니다.이차의 공진 주파수는 GDO 또는 다른 실험 방법을 사용하는 것 외에는 결정하기 어려울 수 있는 반면, 일차의 물리적 특성은 RF 탱크 설계의 덩어리 근사치를 더 가깝게 나타냅니다.이 스키마에서 보조 장치는 다른 성공적인 설계를 모방하여 어느 정도 임의로 제작되거나, 전적으로 공급 장치를 손에 쥐고 있는 상태에서 공진 주파수가 측정되고 보조 장치가 적합하도록 설계됩니다.

공기배출량

엔터테인먼트용으로 제작된 코일과 같이 공기를 배출하는 코일에서는 이차 및 토로이드에서 나온 전기 에너지가 전하, 열, 빛 및 소리로 주변 공기로 전달됩니다.이 과정은 테슬라 코일이 DC 대신 AC를 사용한다는 점을 제외하면 커패시터를 충전하거나 방전하는 것과 비슷합니다.축전기 내에서 전하 이동으로 발생하는 전류를 변위 전류라고 합니다.Tesla 코일 방전은 전하의 펄스가 공기 내의 고전압 토로이드와 인근 영역 사이에서 빠르게 전달됨에 따라 변위 전류의 결과로 형성됩니다(공간 전하 영역이라고 함).토로이드 주변의 우주 전하 영역은 보이지 않지만, 테슬라 코일 방전의 외관과 위치에 지대한 역할을 합니다.

스파크 갭에 불이 붙으면 충전된 캐패시터가 1차 권선으로 방전되어 1차 회로가 진동합니다.진동하는 1차 전류는 2차 권선에 결합하는 진동 자기장을 생성하여 변압기의 2차 측으로 에너지를 전달하고 토로이드 정전 용량과 함께 변압기를 접지로 진동시킵니다.에너지 전달은 원래 1차 측에 있던 대부분의 에너지가 2차 측으로 전달될 때까지 여러 사이클에 걸쳐 이루어집니다.권선 사이의 자기 결합이 클수록 에너지 전달을 완료하는 데 필요한 시간이 짧아집니다.진동하는 2차 회로 내에 에너지가 쌓이면 토로이드의 RF 전압 진폭이 급격히 증가하고 토로이드를 둘러싼 공기가 유전체 파괴를 겪기 시작하면서 코로나 방전이 형성됩니다.

2차 코일의 에너지(및 출력 전압)가 계속 증가함에 따라, 더 큰 변위 전류 펄스는 더 이온화되어 초기 고장 지점에서 공기를 가열합니다.이것은 토로이드 바깥쪽으로 돌출하는 리더라고 불리는 더 뜨거운 플라즈마의 전기 전도성 "뿌리"를 형성합니다.리더 내의 플라즈마는 코로나 방전보다 상당히 뜨겁고, 전도성이 상당히 높습니다.사실, 그것의 성질은 전기 아크와 비슷합니다.리더는 가늘고 시원하며 머리카락 같은 수천 개의 배출물(스트리머라고 함)로 테이핑하고 가지를 내립니다.스트리머들은 더 빛나는 지도자들의 끝에 푸르스름한 '울타리'처럼 보입니다.스트리머는 리더들 사이에 전하를 전달하고 근처의 우주 전하 영역으로 루프를 형성합니다.셀 수 없이 많은 스트리머에서 나오는 변위 전류가 모두 리더로 공급되어 고온 및 전기 전도성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

스파크 테슬라 코일의 1차 파괴 속도는 공진기-탑로드 어셈블리의 공진 주파수에 비해 느립니다.스위치가 닫히면 일차 LC 회로에서 공진기로 에너지가 전달되고, 여기서 짧은 시간 동안 전압이 상승하여 방전이 발생합니다.스파크 갭 테슬라 코일에서 1차-2차 에너지 전달 과정은 입력 라인 전압의 주파수에 따라 초당 50-500회의 일반적인 펄스 속도로 반복적으로 발생합니다.이러한 속도에서는 이전에 형성된 리더 채널이 펄스 사이를 완전히 냉각시킬 기회를 얻지 못합니다.따라서 연속적인 펄스에서 새로운 방전은 이전의 방전자들이 남긴 뜨거운 경로를 기반으로 할 수 있습니다.이로 인해 리더가 한 펄스에서 다음 펄스로 점진적으로 성장하여 연속된 펄스마다 전체 방전이 길어집니다.반복적인 펄스는 각 펄스 동안 Tesla 코일에서 사용 가능한 평균 에너지가 방전 시 손실되는 평균 에너지의 균형을 맞출 때까지 방전을 증가시킵니다(대부분 열).이때 동적 평형에 도달하고 방전은 테슬라 코일의 출력 전력 레벨에 대한 최대 길이에 도달합니다.상승하는 고전압 무선 주파수 포락선과 반복적인 펄스의 독특한 조합은 출력 전압 고려 사항만으로 예상되는 것보다 상당히 긴 분기 방전을 생성하는 데 이상적으로 적합한 것으로 보입니다.고전압, 저에너지 방전은 보라색의 다분지 방전을 생성합니다.고전압, 고에너지 방전은 더 적은 가지와 함께 더 두꺼운 방전을 생성하고, 창백하고 발광하며, 이온화가 증가하기 때문에 저에너지 방전보다 훨씬 더 깁니다.오존과 질소산화물 냄새가 강하게 풍기겠습니다.최대 방전 길이의 중요한 요인은 전압, 에너지 및 낮은 습도에서 중간 정도의 공기인 것으로 보입니다.펄스 저주파 RF 방전의 시작과 성장에 대한 과학적 연구는 비교적 적으므로 DC, 전력-주파수 AC, HV 임펄스 및 번개 방전과 비교할 때 테슬라 코일 공기 방전의 일부 측면이 잘 이해되지 않습니다.

적용들

오늘날 소형 Tesla 코일은 과학적 고진공 시스템에서^[4] 누출 감지기로 사용되고 아크 용접기에서 점화기로 사용되지만 주된 용도는 엔터테인먼트 및 교육용 디스플레이입니다.^[47]

교육 및 오락

테슬라 코일은 과학관과 전자제품 박람회에 볼거리로 전시되며, 학교와 대학의 과학 수업에서 고주파 전기 원리를 설명하는 데 사용됩니다.^[48]

테슬라 코일은 아마추어가 만들 수 있을 정도로 간단하기 때문에 인기 있는 학생 과학 박람회 프로젝트이며 전 세계적인 취미 활동가들로 구성된 대규모 커뮤니티에서 직접 제작합니다.취미로 테슬라 코일을 만드는 사람들은 "코일러"라고 불립니다.그들은 집에서 만든 테슬라 코일과 다른 고전압 장치를 전시하는 "코일링" 컨벤션에 참석합니다.저전력 테슬라 코일은 또한 키를리안 사진 촬영을 위한 고전압 소스로 사용되기도 합니다.

현재 세계에서 가장 큰 테슬라 코일은 그렉 레이(Greg Leyh)와 에릭 오르(Eric Orr)가 제작한 13만 와트 규모의 장치로, 앨런 깁스(Alan Gibbs)가 소유하고 현재 뉴질랜드 오클랜드 인근 카카누이 포인트(Kakanui Point)의 개인 조각 공원에 거주하고 있습니다.^[49][50]Syd Klinge에 의해 설계되고 제작된 또 다른 초대형 테슬라 코일은 매년 캘리포니아 코첼라에서 열리는 코첼라 밸리 뮤직 앤드 아츠 페스티벌에서 전시됩니다.^{[citation needed]}

Tesla 코일은 MIDI 데이터 및 제어 유닛을 통해 시스템의 유효 "차단율"(즉, 고출력 RF 버스트의 속도 및 지속 시간)을 조절함으로써 음악을 포함한 사운드를 생성하는 데 사용될 수도 있습니다.실제 MIDI 데이터는 마이크로컨트롤러에 의해 해석됩니다. 마이크로컨트롤러는 MIDI 데이터를 광섬유 인터페이스를 통해 테슬라 코일로 전송할 수 있는 PWM 출력으로 변환합니다.일리노이 대학교 어바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)에서 열린 엔지니어링 오픈 하우스(EOH)에서 테슬라 코일을 이용한 광범위한 야외 음악 콘서트가 시연되었습니다.아이슬란드 예술가 비외르크는 그녀의 노래 "썬더볼트"에서 테슬라 코일을 그 노래의 주요 악기로 사용했습니다.음악 그룹 아크어택은 변조된 테슬라 코일과 체인 링크 슈트를 입은 남자를 사용하여 음악을 연주합니다.

진공 시스템 누출 감지기

고진공 시스템을 연구하는 과학자들은 소형 핸드헬드 테슬라 코일에서 생성된 고전압 방전을 사용하여 장치(특히 새로 송풍된 유리 제품)에 작은 핀 구멍이 있는지 테스트합니다.시스템이 배기되면 코일의 고전압 전극이 장치 외부에 재생됩니다.낮은 압력에서는 공기가 더 쉽게 이온화되므로 대기압의 공기보다 전기를 더 잘 전달합니다.따라서 방전은 그 바로 아래에 있는 핀 구멍을 통해 이동하며, 진공 공간 내부에서 코로나 방전이 발생하여 구멍을 비추고, 이는 실험에 사용하기 전에 어닐링하거나 다시 블로우해야 하는 지점을 나타냅니다.

테슬라포레시스

2016년, 라이스 대학의 과학자들은 테슬라 코일의 분야를 이용하여 작은 탄소 나노튜브를 회로에 원격 정렬했는데, 이 과정을 그들은 "테슬라포레시스"라고 불렀습니다.^[51][52]

건강문제

Tesla 코일의 출력 단자에서 방전되는 고전압 라디오 주파수(RF)는 다른 고전압 장비에서는 찾아볼 수 없는 독특한 위험을 야기합니다. 즉, 차체를 통과할 때 낮은 주파수의 AC 또는 DC 전류가 발생하는 것처럼 전기 충격의 고통스러운 감각과 근육 수축을 유발하지 않는 경우가 많습니다.^{[53][8][54][55]}신경계는 주파수가 10~20kHz를 넘는 전류에 둔감합니다.^[56]그 이유는 신경세포가 탈분극되어 충격을 전달하기 위해 인가된 전압에 의해 일정한 최소 수의 이온이 신경세포의 막을 가로질러 구동되어야 하기 때문인 것으로 생각됩니다.무선 주파수에서는 반주기 동안 교대 전압이 역전되기 전에 막을 통과할 수 있는 충분한 이온을 위한 시간이 부족합니다.^[56]위험한 것은 고통이 느껴지지 않기 때문에 실험자들은 종종 전류가 무해하다고 가정한다는 것입니다.소형 테슬라 코일을 시연하는 선생님들과 애호가들은 종종 고압 단자를 만지거나 스트리머 아크가 그들의 몸을 통과하도록 함으로써 청중들에게 깊은 인상을 남깁니다.^[57][58][8]

고전압 단자에서 나온 아크가 맨 피부에 부딪히면 RF화상이라고 불리는 깊은 자리에 화상을 입을 수 있습니다.^[59][60]이것은 종종 아크가 손에 쥐고 있는 금속 조각이나 손가락에 골무를 칠 수 있도록 함으로써 피할 수 있습니다.전류가 금속에서 사람의 손으로 전달되어 화상을 입지 않도록 충분히 넓은 표면 영역을 통과합니다.^[8]종종 아무런 감각이 느껴지지 않거나, 단지 따뜻함이나 따끔거림이 느껴질 뿐입니다.

그러나 전류가 무해하다는 것을 의미하는 것을 의미하는 것은 아닙니다.^[61]만일 그 진동수가 심실세동을 일으킬 정도로 낮다면, 작은 테슬라 코일이라도 심장을 멈추는 데 필요한 전기 에너지의 몇 배를 생산합니다.^[62][63]코일을 약간 잘못 조정하면 감전될 수 있습니다.또한 RF 전류는 RF 전류가 통과하는 조직을 가열합니다.전극에 의해 피부에 직접 인가되는 세심하게 제어된 테슬라 코일 전류는 20세기 초 장파 투석의 의학 분야에서 심부 조직 가열에 사용되었습니다.^[54]가열량은 전류 밀도에 따라 달라지는데, 전류 밀도는 테슬라 코일의 출력 전력과 전류가 차체를 통해 접지로 가는 경로의 단면적에 따라 달라집니다.^[55]특히 혈관이나 관절과 같은 좁은 구조물을 통과할 경우 국소 조직 온도를 고온 수준으로 상승시켜 내부 장기를 "조리"하거나 다른 부상을 유발할 수 있습니다.테슬라 코일 주파수 범위인 0.1~1MHz의 체내 RF 전류에 대한 국제 ICNIRP 안전 표준은 사지의 최대 전류 밀도를 제곱센티미터당 0.2mA, 조직의 최대 전력 흡수율(SAR)을 4W/kg, 신체 평균 0.8W/kg으로 규정하고 있습니다.^[64]저전력 Tesla 코일도 이러한 한계를 초과할 수 있으며, 일반적으로 신체 상해가 시작되는 임계 전류를 결정하는 것은 불가능합니다.높은 출력에서 호(> 1000와트)에 맞는 경우테슬라 코일은 치명적일 가능성이 높습니다.

이 방법의 또 다른 위험 요소는 고전압 단자의 아크가 코일의 1차 권선에 부딪히는 경우가 많다는 것입니다.^[53][61]그러면 공급 변압기에서 출력 단자에 도달하는 치명적인 50/60Hz 1차 전류의 전도성 경로가 순간적으로 생성됩니다.이때 출력 단자에 사람이 접촉하거나 단자의 아크가 사람의 몸에 부딪히도록 하는 방식으로 사람이 연결되어 있다면, 높은 1차 전류가 전도성 이온화된 공기 경로를 통과하여 본체를 통과하여 접지하여 감전사를 일으킬 수 있습니다.

피부효과신화

테슬라 코일 애호가들 사이에서 지속된 감전의 부재에 대한 잘못된 설명은 고주파 전류가 표면 가까이에서 몸을 통과하여 피부 효과라고 불리는 전자기 현상으로 인해 중요한 기관이나 신경까지 침투하지 못한다는 것입니다.^{[62][8][65][66]}

이 이론은 거짓입니다.^{[67][68][69][53][63][70]}RF 전류는 피부 효과로 인해 도체 표면에 흐르는 경향이 있지만, 피부 깊이라고 불리는 이 전류가 침투하는 깊이는 주파수뿐만 아니라 물질의 저항률과 투과도에 따라 달라집니다.^[71][72]피부 효과가 Tesla 코일 주파수의 전류를 금속 도체의 1밀리미터 외부 분율로 제한하지만, 저항률이 높기 때문에 신체 조직의 피부 깊이는 훨씬 더 깊습니다.Tesla 주파수(0.1~1MHz)의 전류가 인체 조직에 침투하는 깊이는 약 24~72cm(9~28인치)입니다.^[72][71][53]가장 깊은 조직도 이보다 표면에 가까이 있기 때문에 피부 효과는 신체를 통과하는 전류의 경로에 거의 영향을 미치지 않습니다.^[70] 접지에 대한 전기 임피던스가 최소가 되는 경로를 선택하는 경향이 있고 신체의 핵심을 쉽게 통과할 수 있습니다.^[73][53][72]장파열 요법이라는 의학적 요법에서 테슬라 주파수의 RF 전류는 수십 년 동안 폐와 같은 내부 장기를 가열하는 것을 포함한 심부 조직 온난화에 사용되었습니다.^[73][54]현대의 단파 투석 기계는 27 MHz의 더 높은 주파수를 사용하는데, 이는 상응하게 더 작은 피부 깊이를 가질 것이지만, 이러한 주파수는 여전히 깊은 신체 조직에 침투할 수 있습니다.^[68]

관련특허

테슬라의 특허권

• "변압기 또는 유도장치".미국 특허 제433,702호, 1890년^[74] 8월 5일
• "전류를 발생시키는 수단", 미국 특허 제514,168호, 1894년 2월 6일
• "전기 변압기", 특허 제593,138호, 1897년 11월 2일
• 1901년 11월 5일 특허 제685,958호, "복사에너지의 이용방법"
• "신호 방법", 미국 특허 제723,188호, 1903년 3월 17일
• "System of Signaling", 미국특허 제725,605호, 1903년 4월 14일
• "전기 에너지 전송 장치", 1902년 1월 18일, 미국 특허 1,119,732, 1914년 12월 1일

타인특허

• J. S. Stone, 미국 특허 714,832, "전자파 신호파 증폭 장치" (1901년 1월 23일 출원; 1902년 12월 2일 발행)
• A. Nickle, 미국 특허 2,125,804, "Antenna" (1934년 5월 25일 출원; 1938년 8월 2일 발행)
• 윌리엄 W. 브라운, 미국 특허 2,059,186, "안테나 구조물" (1934년 5월 25일 출원; 1936년 10월 27일 발행).
• 로버트 B.돔, 미국 특허 2,101,674, "Antenna" (1934년 5월 25일 출원; 1937년 12월 7일 발행)
• Armstrong, E. H., 미국 특허 1,113,149, "무선 수신 시스템", 1914
• Armstrong, E. H., 미국 특허 1,342,885, "고주파 진동 수신 방법", 1922.
• Armstrong, E. H., 미국 특허 1,424,065, "신호 시스템", 1922.
• Gerhard Freiherr Du Prel, 미국 특허 1,675,882, "고주파 회로" (1925년 8월 11일 출원; 1928년 7월 3일 발행)
• 레이도르프, G. F., 미국 특허 3,278,937, "안테나 근거리 무선 커플링 시스템", 1966.
• Van Voorhies, 미국 특허 6,218,998, "Toroidal helical antenna"
• Gene Koonce, 미국 특허 6,933,819, "다주파 전자기장 발생기" (2004년 10월 29일 출원; 2005년 8월 23일 발행)

참고 항목

• 패러데이 케이지
• Henry Leroy Transstrom – 미국 발명가 페이지(Wikidata descriptions)는 고압 전기를 사용하여 작업한 발명가이자 쇼맨으로 위키데이터를 보여줍니다.
• 니콜라 테슬라의 특허 목록
• 오우딘 코일 – 폴 마리 오우딘이 1893년에 발명한 공진형 변압기 회로
• 반 드 그라프 발전기
• 무선 전력 전송 – 전선이 없는 전기 에너지를 물리적 링크로 전송

참고문헌

추가열람

작업 및 기타 정보

• Armagnat, H., & Kenyon, O. A. (1908).유도 코일의 이론, 설계 및 구성뉴욕: 맥그로.
• 할러, G. F. & 커닝햄, E. T. (1910)Tesla 고주파 코일, 그 구조 및 용도뉴욕: D.밴노스트랜드사
• 이아니니, R. E. (2003)사악한 천재를 위한 전자 장치: 21개의 빌드 잇 셀프 프로젝트.TAB 전자제품.뉴욕: 맥그로-힐.137-202쪽.
• 코럼, 케네스 L. 그리고 제임스 F. "테슬라 코일과 덩어리진 소자 회로 이론의 실패"
• Nicholson, Paul, "Tesla Secondary Simulation Project" (실제로 이론적 분석, 시뮬레이션 및 결과 테스트를 통해 Tesla coil 2차 행동을 엄격하게 설명하는 최신 기술
• 부요비치, 류보, "테슬라 코일"뉴욕 테슬라 메모리얼 소사이어티.
• 힉먼, 버트 "테슬라 코일 정보 센터"
• 쿠퍼, 존.F. "Magnifying Transmissioner 초기형 회로도; 후기형 회로도"Tesla-Coil.com

일렉트릭 월드

• "고주파 전류의 실용화 개발"전기의 세계, 제32권, 제8호
• "경계 없는 공간: 버스 바."전기의 세계, 제32권, 제19호

기타 간행물

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• Bieniosek, F. M. (1990). "Triple Resonance Pulse Transformer Circuit". Review of Scientific Instruments. 61 (6): 1717–1719. Bibcode:1990RScI...61.1717B. doi:10.1063/1.1141138.
• 코럼, J.F., K.L. 코럼, "코히어런트 공간 모드에 의한 RF 코일, 헬리컬 공진기 및 전압 확대"IEEE, 2001.
• 드 케이로스, 안토니오 카를로스 M., "다중공진망의 합성"연방대는 브라질 리우데자네이루를 합니다.EE/COPE.
• 할러, 조지 프랜시스, 엘머 틸링 커닝햄, "테슬라 고주파 코일, 그 구조와 용도"뉴욕, D.반 노스트랜드사, 1910년
• Hartley, R. V. L. (1936). "Oscillations with Non-linear Reactances". Bell System Technical Journal. 15 (3): 424–440. doi:10.1002/j.1538-7305.1936.tb03559.x.
• 노리, H.S., "유도 코일: 그것들을 만드는 방법, 사용하고 수리하는 방법"노먼 H. 슈나이더, 1907, 뉴욕.4판.
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• Reed, J. L. (2012). "Tesla transformer damping". Review of Scientific Instruments. 83 (7): 076101–076101–3. Bibcode:2012RScI...83g6101R. doi:10.1063/1.4732811. PMID 22852736.
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• 리드, J.L. "3중 공진 테슬라 펄스 변압기 조정"
• Curtis, Thomas Stanley, 고주파 장치: 그 구성과 실용화에브리데이 메카닉스 사, 1916년
• 수많은 학술적 IEEE 간행물[1]

외부 링크

• 컬리의 테슬라 코일