特斯拉线圈与等离子

杨琴李贺

摘要：最近也来越多的电子爱好者，沉迷于一种会唱歌的电弧。制作者称其为等离子扬声器，以作为电子领域的新技术，准备延续开发。但是也有人提出质疑，这类高频高压的电弧效应早在许多年前就由科学家特斯拉先生实验获得了，并且衍生出不同形态的线圈模式。为了这个学术争论，我们分别对特斯拉线圈和等离子产生作出分析。

关键词：特斯拉线圈；等离子

我们最早接触这种效应，是在课堂外的电子发烧友世界中。一堆林林总总的元器件被东倒西歪的堆放在一块木板上，一段蓝紫色的电弧太放电尖端随着音乐扭动着婀娜的身体。但是我们并未发现任何扬声器设备，音乐出自于那段电弧本身。这就是等离子扬声器。

这种几乎近似于魔法一般的电感效应和可视化的效果非常令人震惊。那么这种效应也发动了一些发烧友们以及好事者们的口舌战争。他们大多数人认为这类效应应该属于特斯拉效应。而另一些严谨派，却大唱反调，认为这道会唱歌的电弧，应当属于等离子的研究范畴，而并非什么特斯拉电感效应。

基于这个持续了长达三个月的技术辩论，我们来客观的作出一些论述。希望通过技术分析来获得这个结论。

我们先来了解特斯拉线圈。

特斯拉线圈的英文名字是TeslaCoil。是美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉•特斯拉于1891年发明并制作的，用来生产高电压、高频率但低电流的交流电力。由于特斯拉线圈难以界定，尼古拉•特斯拉试行了大量的各种线圈的配置。这也是今天我们要解决的争论起源之一。

尼古拉•特斯拉先生是一位伟大的科学家。但值得一提的是，这位绝世天才的伟大发明家几乎被人们遗忘，而他的发明直到今天才被国内的发好友们重视起来。但是这种效应和装置由于打上高频和高压的标签，而存在难以解决的安全问题，故此目前尚无大规模平民产品化。由于特斯拉线圈特有的“光电”魅力，所以目前发烧友们主要是追寻这种美丽的效果,感受人类最初对“天火”那分来自心灵深处的震撼。起码对我来说是很震撼的。其二,也是对于生前饱受爱迪生挤压迫害的特斯拉先生的一种纪念缅怀的方式。

特斯拉线圈是一种分利用线圈令普通电压升压，经由两极线圈作用，从而达到终端放电的设备。有时候，特斯拉线圈的终端的确可以产生瑰丽的电弧，所以我们可以暂时把它理解为一个人工闪电制造器，但并不同于等离子扩音器。

特斯拉线圈有几种不同的形式，例如火花间隙特斯拉线圈，简称为SGTC，它是由英文：SparkGapTeslaCoil缩写而成的。尼古拉•特斯拉先生当年在自己的卧室里，因为百无聊赖而发明的特斯拉线圈就属于SGTC。由于SGTC这类线圈构造、原理较为简单，基础，所以也是现在的发烧友们入门的特斯拉线圈。

所以后来诸多有电子界魔法师之称的发烧友们，不辞辛苦，不惜余力的在以上三种线圈基础上有创造出ISSTC(InterruptedSSTC)也就是带灭弧固态特斯拉线圈，这样可以再同输出功率下，SSTC的电弧成簇状，且明显不如SGTC壮观。这时，可以加上一个灭弧器来模仿SGTC的工作，电弧可以长一些，还可以利用音频信号灭弧信号来演奏音乐。在这个阶段，我们的电弧就会唱起歌来了。

那么，诸如此类，特斯拉线圈的基本原理是利用变压器使普通电压升压，然后经过两极线圈，从放电终端放电。特斯拉线圈的主结构由两个回路通过线圈耦合，我们首先让电源对电容充电，当电容的电压高到达了一定程度而超过了打火间隙的阈值的时候，打火间隙就会击穿空气打火，变压器初级线圈的通路最终形成。能量在电容和初级线圈之间产生振荡，继而通过耦合传递到次级线圈。那么次级线圈，其实也是一个不容忽视的电感，放顶罩和大地之间可以等效为一个电容，因此也会发生振荡。当两级振荡频率一样发生谐振的时候，初级回路的能量会涌到次级，放电端的电压峰值就会不断增加，直到放电。

尽管从理论上讲，特斯拉线圈在放电顶端和地面的电势差为无限大，但是在实际上电弧的长度不会无限大，它会受到供电电源的功率限制。

不可不说的是，后来，特斯拉试图利用地球本身和大气电离层为谐振电容来实现无线输电，为此在纽约长岛建造了一个高29米的发射塔—沃登克里弗塔,但值得一提的是，由于摩根觉得此行为与自己利益毫无关系决定撤资，实验工地的设备也被法院没收充当抵押，沃登克里弗塔被拆除。倘若沃登克里弗塔依然存在，恐怕我们今天到纽约不止看到摩天大厦。

接下来，我们再来理解一下离子。

克伦普在《非理想等离子体的量子统计》一书中明确指出：当电离过程频繁发生，使电子和阳离子的浓度达到一定的数值时，物质的状态也就起了根本的变化，它的性质也变得与气体完全不同。为区别于固体、液体和气体这三种状态，我们称物质的这种状态为物质的第四态，人们将其称之为等离子态。

那么，特斯拉线圈通过电感和增压，能够达到生成等离子的温度吗？如果解决了这个问题，我们可以说等离子扬声器和特斯拉线圈具有了一些共同点，而这些共同点又是相互耦合的。

但现在科学界存在着广泛争议的观点。

产生磁场的必备条件是电荷的变化或者电荷的运动，这不相当于能量是无限的，不就是永动机了吗，这就违反了能量守恒定律。

但是我们单纯从等离子扬声器与特斯拉线圈是否是一回事，我们不否认在等离子扬声器中运用了线圈和电感效应，而特斯拉线圈的输出端，也确实可以获得一个电弧。

现在我们只需要印证特斯拉线圈在加大电压后的电弧，是否是等离子，那么结论就不言而喻了。

我们通过电压来加热是能够使分子电离化的，因为气体分子加热就会膨胀，而电离的本质从分子的角度出发。那么等离子体，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它的运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。

前面我们已经定义，等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。

这就像被放生的鱼，从鱼篓里被放逐扩散到整个水域的角落里一样。电子离开原子核，这个过程成为“电离”。此时物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。

等离子扬声器之所以可以不使用喇叭，发生，是由于声波的本质就是空气的膨胀与收缩从而带动周围空气产生由近及远的传播现象。等离子体的产生，与空气有着密切的关系。

空气的分子大部分为中性不带电。但经过高压放电后就成为带电的粒子，这种现象称游离化或电离。剧烈的电离过程会产生电弧放电，声波的产生需要空气的膨胀和收缩，收缩过程就是电弧电流由大变小时空气膨胀系数也由大变小的过程，通过音频信号控制电弧中电流的大小则产生相应的声波，这就是离子扬声器的原理。

要想出声无失真需要有一个合适的偏置电流,相同于三极管偏置,音频电流直接叠加在偏置电流上。所以，特斯拉线圈无疑可以为这个设备提供了非常符合要求的条件。

故此，经过这样的推论，我们可以得出结论，特斯拉线圈与等离子扬声器，本就是同一种作用原理，但二者的电压和作用领域也各不相同。有一斜等离子扬声器中，会使用特斯拉线圈来提高电压，甚至还会连接一个高压包作为引弧的必备原件。我们可以说，在等离子扬声器中，运用了特斯拉效应，但特斯拉线圈并不等于等离子扬声器，或者是一部分。二者原理相通，相信未来随着科技发展，特斯拉效应和等离子技术会更加平民化，家庭化。到了那一天，我们就会更加系统的来运用这些先进的科学技术。