TESLA COIL: SEJARAH, CARA KERJANYA, UNTUK APA - FISIK - 2025

The Tesla coil adalah berkelok-kelok yang berfungsi sebagai tegangan tinggi, pembangkit frekuensi tinggi. Ini ditemukan oleh fisikawan Nikola Tesla (1856 - 1943), yang mematenkannya pada tahun 1891.

Induksi magnet membuat Tesla memikirkan kemungkinan transmisi energi listrik tanpa intervensi konduktor. Oleh karena itu, gagasan ilmuwan dan penemu adalah untuk membuat alat yang berfungsi untuk mentransfer listrik tanpa menggunakan kabel. Namun penggunaan mesin ini sangat tidak efisien, sehingga akhirnya segera ditinggalkan untuk keperluan ini.

Gambar 1. Demonstrasi dengan Tesla coil. Sumber: Pixabay.

Meski begitu, kumparan Tesla masih dapat ditemukan dengan beberapa aplikasi tertentu, seperti pada tiang atau pada percobaan fisika.

Sejarah

Kumparan tersebut dibuat oleh Tesla tak lama setelah eksperimen Hertz terungkap. Tesla sendiri menyebutnya "alat untuk mentransmisikan energi listrik". Tesla ingin membuktikan bahwa listrik dapat disalurkan tanpa kabel.

Di laboratorium Colorado Springs-nya, Tesla memiliki kumparan 16 meter besar yang terpasang pada antena. Perangkat itu digunakan untuk melakukan eksperimen transmisi energi.

Bereksperimen dengan kumparan Tesla.

Pada suatu kesempatan terjadi kecelakaan yang disebabkan oleh kumparan ini dimana dinamo dari pembangkit listrik yang jaraknya 10 kilometer terbakar. Sebagai akibat dari kegagalan tersebut, busur listrik dihasilkan di sekitar belitan dinamo.

Tak satu pun dari Tesla yang mengecilkan hati, yang terus bereksperimen dengan berbagai desain kumparan, yang kini dikenal dengan namanya.

Bagaimana cara kerjanya?

Kumparan Tesla yang terkenal adalah salah satu dari banyak desain yang dibuat Nikola Tesla untuk mentransmisikan listrik tanpa kabel. Versi aslinya berukuran besar dan menggunakan sumber tegangan tinggi dan arus tinggi.

Tentu saat ini ada desain yang jauh lebih kecil, kompak dan buatan sendiri yang akan kami jelaskan dan jelaskan di bagian selanjutnya.

Gambar 2. Skema kumparan Tesla dasar. Sumber: buatan sendiri.

Desain berdasarkan versi asli kumparan Tesla adalah yang ditunjukkan pada gambar di atas. Diagram kelistrikan pada gambar sebelumnya dapat dibagi menjadi tiga bagian.

Sumber (F)

Sumber terdiri dari generator arus bolak-balik dan transformator gain tinggi. Output sumber biasanya antara 10.000 V dan 30.000 V.

Sirkuit resonansi LC 1 pertama

Ini terdiri dari sakelar S yang dikenal sebagai "Spark Gap" atau "Explosor", yang menutup sirkuit ketika percikan melompat di antara ujungnya. Sirkuit LC 1 juga memiliki kapasitor C1 dan koil L1 yang dihubungkan secara seri.

Sirkuit resonansi kedua LC 2

Sirkuit LC 2 terdiri dari kumparan L2 yang memiliki rasio putaran sekitar 100 banding 1 relatif terhadap kumparan L1 dan kapasitor C2. Kapasitor C2 terhubung ke koil L2 melalui ground.

Kumparan L2 biasanya berupa lilitan kawat dengan enamel isolasi pada tabung bahan non-konduktif seperti keramik, kaca atau plastik. Coil L1, meskipun tidak ditampilkan seperti ini pada diagram, dililitkan pada coil L2.

Kapasitor C2, seperti semua kapasitor, terdiri dari dua pelat logam. Pada kumparan Tesla, salah satu pelat C2 biasanya berbentuk kubah sferis atau toroidal dan dihubungkan seri dengan kumparan L2.

Papan lain dari C2 adalah lingkungan terdekat, misalnya alas logam yang dibuat dalam bola dan dihubungkan ke ground untuk menutup sirkuit dengan ujung L2 lainnya, juga dihubungkan ke ground.

Mekanisme aksi

Ketika kumparan Tesla dihidupkan, sumber tegangan tinggi mengisi kapasitor C1. Ketika ini mencapai tegangan yang cukup tinggi, itu membuat lompatan percikan di sakelar S (celah percikan atau peledak), menutup sirkuit resonansi I.

Kemudian kapasitor C1 dilepaskan melalui kumparan L1 menghasilkan medan magnet variabel. Medan magnet variabel ini juga melewati kumparan L2 dan menginduksi gaya gerak listrik pada kumparan L2.

Karena L2 sekitar 100 putaran lebih panjang dari L1, tegangan listrik di L2 adalah 100 kali lebih besar dari pada L1. Dan karena di L1 voltase berada di urutan 10.000 volt, maka di L2 akan menjadi 1 juta volt.

Energi magnet yang terakumulasi dalam L2 ditransfer sebagai energi listrik ke kapasitor C2, yang ketika mencapai nilai tegangan maksimum sekian juta volt akan mengionisasi udara, menghasilkan percikan dan dilepaskan secara tiba-tiba melalui tanah. Pelepasan terjadi antara 100 dan 150 kali per detik.

Sirkuit LC1 disebut resonansi karena energi yang terakumulasi dalam kapasitor C1 melewati kumparan L1 dan sebaliknya; artinya, terjadi osilasi.

Hal yang sama terjadi pada rangkaian resonansi LC2, di mana energi magnet dari kumparan L2 ditransfer sebagai energi listrik ke kapasitor C2 dan sebaliknya. Artinya, bahwa dalam rangkaian arus perjalanan bolak-balik diproduksi secara bergantian.

Frekuensi osilasi alami dalam rangkaian LC adalah

Resonansi dan induksi timbal balik

Ketika energi yang disuplai ke rangkaian LC terjadi pada frekuensi yang sama dengan frekuensi alami osilasi rangkaian, maka transfer energi tersebut optimal, menghasilkan amplifikasi maksimum pada arus rangkaian. Fenomena umum untuk semua sistem berosilasi ini dikenal sebagai resonansi.

Sirkuit LC1 dan LC2 digabungkan secara magnetis, fenomena lain yang disebut induksi timbal balik.

Untuk transfer energi yang optimal dari rangkaian LC1 ke LC2 dan sebaliknya, frekuensi osilasi alami dari kedua rangkaian harus sesuai, dan frekuensi tersebut juga harus sesuai dengan frekuensi sumber tegangan tinggi.

Ini dicapai dengan menyesuaikan nilai kapasitansi dan induktansi di kedua rangkaian, sehingga frekuensi osilasi bertepatan dengan frekuensi sumber:

Ketika ini terjadi, daya dari sumber ditransfer secara efisien ke sirkuit LC1 dan dari LC1 ke LC2. Dalam setiap siklus osilasi, energi listrik dan magnet yang terkumpul di setiap rangkaian meningkat.

Ketika tegangan listrik melintasi C2 cukup tinggi, maka energi dilepaskan dalam bentuk petir dengan melepaskan C2 ke ground.

Tesla coil menggunakan

Ide asli Tesla dalam eksperimennya dengan kumparan ini selalu menemukan cara untuk mengirimkan energi listrik dalam jarak jauh tanpa kabel.

Namun, rendahnya efisiensi metode ini akibat kehilangan energi akibat dispersi melalui lingkungan membuat perlu dicari cara lain untuk mengirimkan energi tenaga listrik. Kabel hari ini masih digunakan.

Lampu plasma, yang membantu mengembangkan eksperimen Tesla.

Namun, banyak dari ide asli Nikola Tesla masih ada dalam sistem transmisi kabel saat ini. Misalnya, transformator step-up di gardu induk listrik untuk transmisi melalui kabel dengan kerugian lebih sedikit, dan transformator step-down untuk distribusi rumah, dirancang oleh Tesla.

Meski tidak memiliki penggunaan skala besar, kumparan Tesla tetap berguna dalam industri kelistrikan tegangan tinggi untuk pengujian sistem isolasi, menara, dan perangkat listrik lainnya yang harus berfungsi dengan aman. Mereka juga digunakan dalam berbagai pertunjukan untuk menghasilkan kilat dan percikan, serta dalam beberapa eksperimen fisika.

Penting untuk mengambil tindakan pengamanan dalam eksperimen tegangan tinggi dengan kumparan Tesla besar. Contohnya adalah penggunaan sangkar Faraday untuk perlindungan pengamat dan pakaian jaring logam untuk pemain yang berpartisipasi dalam pertunjukan dengan gulungan ini.

Bagaimana cara membuat kumparan Tesla buatan sendiri?

Komponen

Tidak ada sumber AC tegangan tinggi yang akan digunakan dalam versi miniatur kumparan Tesla ini. Sebaliknya, sumber dayanya adalah baterai 9 V, seperti yang ditunjukkan pada diagram di gambar 3.

Gambar 3. Skema untuk membangun kumparan Tesla mini. Sumber: buatan sendiri.

Perbedaan lain dari Tesla versi aslinya adalah penggunaan transistor. Dalam kasus kami ini adalah 2222A, yang merupakan transistor NPN sinyal rendah tetapi dengan respons cepat atau frekuensi tinggi.

Rangkaian ini juga memiliki sakelar S, kumparan primer 3 putaran L1 dan kumparan sekunder L2 275 putaran minimum, tetapi dapat juga antara 300 dan 400 putaran.

Kumparan primer dapat dibuat dengan kawat biasa dengan isolasi plastik, tetapi kumparan sekunder membutuhkan kawat tipis yang dilapisi dengan pernis isolasi, yang biasanya digunakan dalam belitan. Pemutaran dapat dilakukan pada karton atau tabung plastik dengan diameter antara 3 dan 4 cm.

Menggunakan transistor

Harus diingat bahwa pada zaman Nikola Tesla tidak ada transistor. Dalam hal ini transistor menggantikan "celah percikan" atau "peledak" dari versi aslinya. Transistor akan digunakan sebagai gerbang yang memungkinkan atau tidaknya aliran arus. Untuk ini, transistor dipolarisasi sebagai berikut: kolektor c ke terminal positif dan emitor e ke terminal negatif baterai.

Ketika basis b memiliki polarisasi positif, maka memungkinkan lewatnya arus dari kolektor ke emitor, dan sebaliknya akan mencegahnya.

Dalam skema kami, basis terhubung ke positif baterai, tetapi resistor 22 kilo ohm dimasukkan, untuk membatasi arus berlebih yang dapat membakar transistor.

Rangkaian ini juga menunjukkan dioda LED yang bisa berwarna merah. Fungsinya akan dijelaskan nanti.

Pada ujung bebas dari kumparan sekunder L2 sebuah bola logam kecil ditempatkan, yang dapat dibuat dengan menutupi bola polistiren atau bola pin pong dengan aluminium foil.

Bola ini adalah pelat kapasitor C, pelat lainnya adalah lingkungan. Inilah yang dikenal sebagai kapasitas parasit.

Cara Kerja Mini Tesla Coil

Ketika sakelar S ditutup, basis transistor bias positif, dan ujung atas kumparan primer juga bias positif. Jadi arus tiba-tiba muncul yang melewati kumparan primer, berlanjut melalui kolektor, meninggalkan emitor, dan kembali ke baterai.

Arus ini tumbuh dari nol menjadi nilai maksimum dalam waktu yang sangat singkat, itulah sebabnya ia menginduksi gaya gerak listrik pada kumparan sekunder. Ini menghasilkan arus yang mengalir dari bagian bawah kumparan L2 ke basis transistor. Arus ini secara tiba-tiba menghentikan polarisasi positif dari basis sehingga arus yang mengalir melalui primer berhenti.

Dalam beberapa versi, dioda LED dilepas dan sirkuit berfungsi. Namun, menempatkannya meningkatkan efisiensi dalam memotong bias basis transistor.

Apa yang terjadi saat arus bersirkulasi?

Selama siklus pertumbuhan arus yang cepat di sirkuit primer, gaya gerak listrik diinduksi di koil sekunder. Karena rasio belitan antara primer dan sekunder adalah 3 hingga 275, ujung bebas kumparan L2 memiliki tegangan 825 V terhadap ground.

Karena hal tersebut di atas, maka dihasilkan medan listrik yang kuat pada bola kapasitor C yang mampu mengionisasi gas pada tekanan rendah dalam tabung neon atau lampu fluoresen yang mendekati bola C dan mempercepat elektron bebas di dalam tabung. untuk merangsang atom yang menghasilkan emisi cahaya.

Ketika arus tiba-tiba berhenti melalui koil L1 dan koil L2 dilepaskan melalui udara di sekitar C menuju tanah, siklus dimulai kembali.

Poin penting dalam rangkaian jenis ini adalah semuanya terjadi dalam waktu yang sangat singkat, sehingga Anda memiliki osilator frekuensi tinggi. Dalam rangkaian jenis ini, flutter atau osilasi cepat yang dihasilkan oleh transistor lebih penting daripada fenomena resonansi yang dijelaskan pada bagian sebelumnya dan mengacu pada versi asli kumparan Tesla.

Eksperimen yang diusulkan dengan kumparan Tesla mini

Setelah kumparan mini Tesla dibangun, dimungkinkan untuk bereksperimen dengannya. Jelas, kilat dan percikan api dari versi aslinya tidak akan diproduksi.

Namun, dengan bantuan bola lampu fluoresen atau tabung neon, kita dapat mengamati bagaimana efek gabungan dari medan listrik yang kuat yang dihasilkan di kapasitor pada ujung kumparan dan frekuensi osilasi yang tinggi dari medan tersebut, membuat lampu tersebut. menyala mendekati bola kondensor.

Medan listrik yang kuat mengionisasi gas bertekanan rendah di dalam tabung, meninggalkan elektron bebas di dalam gas. Dengan demikian, frekuensi tinggi rangkaian menyebabkan elektron bebas di dalam tabung fluoresen mempercepat dan merangsang bubuk fluoresen yang menempel pada dinding bagian dalam tabung, menyebabkannya memancarkan cahaya.

Anda juga dapat mendekatkan LED bercahaya ke bola C, mengamati bagaimana lampu menyala bahkan saat pin LED belum dihubungkan.

Referensi

1. Blake, teori koil T. Tesla. Diperoleh dari: tb3.com.
2. Burnett, R. Pengoperasian kumparan Tesla. Diperoleh dari: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. MacGraw Hill. 626-628.
4. Universitas Wisconsin-Madison. Kumparan Tesla. Diperoleh dari: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Kumparan Tesla. Diperoleh dari: wikiwand.com.