Tesla cívka je elektrické zařízení, které generuje extrémně vysoké napětí. Protože je napětí velmi vysoké, můžete vidět, jak z cívky vycházejí elektrické jiskry, stejně jako miniaturní bleskové šípy. Poprvé jej představil slavný vynálezce Nicola Tesla v roce 1891, když se pokoušel vyvinout přenos elektrické energie bez drátů. V roce 2005 naučil Joe DiPrima Teslovu cívku zpívat a nyní jsou tyto hudební Teslovy cívky již docela populární vychytávky. Z dřívějšího příspěvku «Plazmová koule» jsme si mohli přečíst, jak malá Teslova cívka uvnitř této plynem naplněné koule ionizuje plyn a vytváří nádhernou světelnou show, nebo dokonce napájí žárovku poblíž koule. V tomto příspěvku se pokusíme získat odpověď na otázku, jaké jsou hlavní součásti tohoto zařízení a jak funguje.
Tesla cívka obsahuje dva obvody: a primární okruh a a sekundární okruh. Hlavní myšlenkou je dosáhnout rezonance mezi primárním a sekundárním okruhem, což vytváří velmi vysoké napětí v sekundárním okruhu. Na internetu je mnoho článků, které používají dobrou analogii s houpačkou. Pokud zatlačíte na houpačku přesně ve správný okamžik, kdy se houpačka začne od vás vzdalovat, je docela snadné přidat hybnost houpačce a amplituda kmitání houpačky se rychle velmi zvětší.
Použijeme-li analogii swingu, pokud je hybnost přidána přesně ve správný okamžik a je dosaženo rezonance mezi dvěma oscilačními obvody, pak energie v sekundárním obvodu neustále roste. Potenciální energie ( E = mgh ) osoby na houpačce se neustále zvyšuje se zvyšující se amplitudou a tedy i výškou nad zemí.
Tesla cívka má tedy dva elektrické obvody, oba sestávající z induktoru a kondenzátoru. Kondenzátory jsou zařízení, která ukládají energii v elektrickém poli a induktory jsou zařízení, která ukládají energii v magnetickém poli. Kondenzátor v primárním okruhu je nabíjen transformátorem střídavého proudu.
Kondenzátor se skládá ze dvou paralelních desek s nevodivým materiálem mezi nimi. Když je primární obvod připojen k vysokonapěťovému transformátoru, kondenzátor se začne nabíjet. Když se elektrické pole a tím i napětí mezi deskami kondenzátoru velmi zesílí, elektrická neutralita vzduchu mezi jiskřiště se rozpadne a mezi elektrodami vznikne elektrická jiskra. V podstatě je jiskřiště jako spínač, který spojuje primární a sekundární okruh. V polovodičových Teslových cívkách je jiskřiště nahrazeno modernějšími spínači, jako jsou tranzistory nebo MOSFET.
Pokud mezi elektrodami dojde k jiskření, kondenzátor se okamžitě vybije, což způsobí, že primárním okruhem proteče obrovský proud. Elektrický proud pak prochází primárním induktorem, což je izolovaný drát s malým počtem závitů. Když proud prochází induktorem, vytváří se kolem induktoru magnetické pole (2).
Proud proudu v obvodu klesá s vybíjením kondenzátoru. Současně se magnetické pole kolem induktoru začne zmenšovat (magnetické pole se mění). Podle Faradayův zákon, měnící se magnetické pole generuje napětí na induktoru. Toto indukované napětí umožňuje dobíjení kondenzátoru, ale s napětím opačné polarity (3). Poté cyklus začne znovu, ale směr proudu je nyní obrácený (4). Takový obvod, ve kterém energie kmitá mezi elektrickým polem kondenzátoru a magnetickým polem induktoru, se nazývá LC or rezonanční obvod. Kmitání probíhá tak dlouho, dokud je mezi elektrodami jiskra, která uzavře obvod a umožní proudění tam a zpět.
Frekvence střídavého proudu je 50 Hz v Evropě a 60 Hz ve Spojených státech, což znamená, že proud a napětí se mění 50 nebo 60krát za sekundu (50 nebo 60 cyklů za sekundu). V závislosti na velikosti jiskřiště se může jiskra objevit několikrát během cyklu. Pokaždé, když dojde k jiskření mezi elektrodami a primární okruh se uzavře, může energie mezi kondenzátorem a induktorem oscilovat desítky nebo stovky tisíckrát za sekundu.
Sekundární obvod se také skládá z induktoru a kondenzátoru. Toroid na konci induktoru působí jako kondenzátor vzhledem k zemi. Na toroid se tedy můžeme dívat jako na jednu desku kondenzátoru a na zem jako na druhou desku kondenzátoru. Primární a sekundární tlumivky jsou volně spřaženy, nejsou navinuty na železném jádru jako u klasických transformátorů, ale je mezi nimi velká vzduchová mezera.
Jak jsme se dozvěděli dříve, když elektrický proud prochází primárním induktorem, vytváří se kolem něj magnetické pole. Když toto oscilující magnetické pole prochází sekundárním induktorem, napětí se indukuje také na sekundárním induktoru. Sekundární induktor je mnohem větší, těsně navinutý drátem. Čím více závitů má sekundární vinutí vůči primárnímu induktoru, tím větší je indukované napětí v sekundárním induktoru. Energie v sekundárním okruhu kmitá mezi kondenzátorem a induktorem stejně jako v primárním okruhu, mají stejnou frekvenci kmitání. V přesně ten správný čas cyklu přenáší magnetické pole z primárního okruhu energii do sekundárního okruhu. Ale s každým cyklem primární okruh ztrácí svou energii, zatímco sekundární okruh energii získává. Když není v primárním okruhu dostatek energie k udržení vodivosti jiskřiště, jiskra zhasne. Celý proces začíná znovu, když je kondenzátor v primárním okruhu plně nabitý.
Miniaturní tesla cívky generují nižší výstupní napětí, obvykle 10 000 voltů nebo více. Větší však mohou generovat stovky tisíc voltů. Když je napětí velmi vysoké, vzduch se v blízkosti toroidu ionizuje a stává se elektricky vodivým. Miniaturní bleskové šípy opouštějí povrch toroidu a snaží se najít cestu k zemi.
Zapínáním a vypínáním Teslovy cívky v určitém počtu za sekundu můžeme dokonce vytvářet zvukové vlny. Tento princip se používá v hudební Teslovy cívky a plazmové reproduktory.
