テスラコイル

テスラコイル

オーストラリアのキャンベラにある国立科学技術センター、クエスタコンのテスラコイル
タイプ	共振トランス
動作原理	共鳴 電磁誘導
発明家	ニコラ・テスラ（1891）

テスラコイルは、 1891年に発明家ニコラ・テスラによって設計された電気共振変圧器回路です。 ^[1]高電圧、低電流、高周波の交流電気を生成するために使用されます。^{[2] [3]テスラは、2つ、または時には3つの結合された}共振電気回路で構成されるさまざまな構成で実験しました。

テスラはこれらの回路を使用して、電気照明、燐光、X線発生、高周波 交流現象、電気療法、およびワイヤーなしの電気エネルギーの伝送に関する革新的な実験を行いました。テスラコイル回路は、1920年代まで無線電信用のスパークギャップ無線送信機で商業的に使用されていました。 ^{[1] [4]また、}電気療法や紫色線装置などの医療機器にも使用されていました。今日では、主に娯楽や教育用のディスプレイに使用されていますが、小型コイルは高真空システムのリーク検出器として今でも使用されています。^{[5] [6]}

もともと、テスラ コイルは固定スパーク ギャップまたは回転スパーク ギャップを使用して共振回路を断続的に励起していましたが、最近では、必要なスイッチング動作を提供するために電子デバイスが使用されています。

テスラコイルは、空芯二重同調共振変圧器を駆動して低電流で高電圧を生成する無線周波数 発振器です。 ^{[4] [7] [8] [9] [10] [11]}テスラのオリジナル回路とほとんどの現代のコイルは、単純なスパークギャップを使用して同調変圧器の振動を励起します。より洗練された設計では、トランジスタまたはサイリスタ^[7]スイッチ、または真空管電子発振器を使用して共振変圧器を駆動します。

テスラコイルは、50 キロボルトから大型コイルでは数百万ボルトまでの出力電圧を生成できます。^{[7] [9] [11]}交流出力は低い無線周波数範囲にあり、通常は50kHzから1MHzの間です。^{[9] [11]}一部の発振器駆動コイルは連続的な交流電流を生成しますが、ほとんどのテスラコイルはパルス出力を持ちます。^[7]高電圧は、無線周波数交流電流のパルスの急速な列で構成されます。

以下に示す一般的な火花励起テスラコイル回路は、以下のコンポーネントで構成されています。^{[8] [12]}

• 高電圧電源トランス （T）は、交流主電源電圧を火花ギャップを飛び越えるのに十分な高電圧まで昇圧します。一般的な電圧は5～30キロボルト（kV）です。^[12]
• テスラ変圧器の一次巻線L1 と同調回路を形成するコンデンサ（C1）
• 一次回路のスイッチとして機能するスパークギャップ （SG）
• テスラコイル（L1、L2）は、高出力電圧を生成する空芯二重同調共振トランスです。
• オプションとして、コイルの二次端子に滑らかな金属球またはトーラスの形状をした容量性電極（トップロード）（E）を取り付けます。その大きな表面積により、早期の空気破壊とアーク放電が抑制され、Q 係数と出力電圧が増加します。

テスラコイル回路で使用される特殊な変圧器（L1、L2）は、共振変圧器、発振変圧器、または無線周波数（RF）変圧器と呼ばれ、AC電源回路で使用される通常の変圧器とは異なる機能を果たします。^{[13] [14] [15]}通常の変圧器は一次巻線から二次巻線にエネルギーを効率的に転送するように設計されていますが、共振変圧器は電気エネルギーを一時的に蓄えることも設計されています。各巻線には静電容量があり、LC回路（共振回路、同調回路）として機能し、音叉が振動機械エネルギーを蓄えるのと同様に、振動する電気エネルギーを蓄えます。一次コイル （L1）は、比較的少数の太い銅線またはチューブで構成され、スパークギャップ（SG）を介してコンデンサ （C1）に接続されています。^{[7] [8]}二次コイル（L2）は、一次コイル内の中空の円筒形の形状で多数（数百から数千）の巻線で構成されています。二次側は実際のコンデンサに接続されていませんが、LC回路としても機能し、インダクタンス(L2)は浮遊容量(C2) 、コイルの巻線間の浮遊寄生容量と高電圧端子に接続されたトロイダル金属電極の容量の合計と共振します。一次回路と二次回路は同じ共振周波数を持つように調整されているため、^{[6]エネルギーを交換し、}結合発振器のように機能します。各スパーク中に、蓄積されたエネルギーは一次側と二次側の間を急速に往復します。

コイルの特殊な設計は、高周波での低い抵抗エネルギー損失（高いQ値）を達成する必要性によって決定され、 ^[9]最大の二次電圧をもたらします。

• 通常の電力変圧器にはコイル間の磁気結合を高めるために鉄心が付いています。しかし、高周波では鉄心は渦電流やヒステリシスによるエネルギー損失を引き起こすため、テスラコイルでは使用されていません。^[15]
• 通常の変圧器は「密結合」するように設計されています。一次巻線と二次巻線は両方とも鉄心の周りに密に巻かれています。鉄心と巻線の近接性により、相互インダクタンス （M）が高く、結合係数は1に近く、0.95～1.0です。これは、一次巻線の磁場のほぼすべてが二次巻線を通過することを意味します。^{[13] [15]}対照的に、テスラ変圧器は「疎結合」です。^{[7] [15]}一次巻線の直径が大きく、二次巻線から離れているため、^[8]相互インダクタンスが低く、結合係数はわずか0.05～0.2です。^{[16] [9]}これは、開回路のときに一次コイルの磁場の5％～20％だけが二次巻線を通過することを意味します。^{[7] [12]}疎結合により一次コイルと二次コイル間のエネルギー交換が遅くなり、振動エネルギーが一次コイルに戻って火花で消散し始めるまで二次回路に長く留まることができます。
• 各巻線も単層のワイヤに限定されているため、近接効果による損失が低減されます。一次側は非常に高い電流を流します。高周波電流は主に表皮効果により導体の表面を流れるため、抵抗を減らすために表面積の大きい銅管や銅ストリップで作られることが多く、巻線同士の間隔が空けられているため、近接効果による損失や巻線間のアークが低減されます。^{[17] [18]}

出力回路には 2 つの形式があります。

• ユニポーラ: 二次巻線の一方の端は単一の高電圧端子に接続され、もう一方の端は接地されています。このタイプは、娯楽用に設計された最新のコイルで使用されています。一次巻線は、巻線間のアークを最小限に抑えるために、二次巻線の下部の低電位端の近くに配置されています。接地 (地球) は高電圧の戻り経路として機能するため、端子からのストリーマ アークは近くの接地された物体に飛び移る傾向があります。
• バイポーラ: 二次巻線の両端は接地されておらず、両方とも高電圧端子に引き出されています。一次巻線は、アーク放電を防止するために、2 つの高電位端子間の等距離にある二次コイルの中央に配置されています。

この回路は、電源トランス（T）が一次コンデンサ（C1）を充電し、スパークギャップを通して放電し、一次回路に短い振動電流パルスを発生させ、二次側に高い振動電圧を励起するという高速繰り返しサイクルで動作します。^{[10] [12] [15] [19]}

1. 電源トランス（T）からの電流がコンデンサ（C1）を高電圧に充電します。
2. コンデンサの両端の電圧がスパークギャップ(SG)のブレークダウン電圧に達すると、スパークが始まり、スパークギャップの抵抗が非常に低い値に低下します。これにより、一次回路が完成し、コンデンサからの電流が一次コイル(L1)を流れます。電流はコイルを通ってコンデンサのプレート間を急速に行き来し、回路の共振周波数で一次回路に無線周波数振動電流を生成します。
3. 一次巻線の振動磁場は、ファラデーの電磁誘導の法則により、二次巻線(L2)に振動電流を誘導します。数サイクルにわたって、一次回路のエネルギーが二次回路に伝達されます。同調回路の全エネルギーは、コンデンサC1に元々蓄えられているエネルギーに制限されるため、二次回路の振動電圧の振幅が増加すると (「リングアップ」)、一次回路の振動はゼロに減少します。二次コイルの両端は開いていますが、コイルの巻き線間の寄生容量とトロイド電極Eの容量の合計である容量(C2)により、同調回路としても機能します。電流は、二次コイルの両端の間を急速に行き来します。容量が小さいため、出力端子に現れる二次コイルの振動電圧は、一次電圧よりもはるかに大きくなります。
4. 二次電流は磁場を生成し、一次コイルに電圧を誘導します。さらに数回のサイクルを経てエネルギーが一次コイルに戻り、二次コイルの振動電圧が減少します (「リングダウン」)。このプロセスが繰り返され、エネルギーは一次コイルと二次コイルの同調回路間で急速に移動します。一次コイルと二次コイルの振動電流は、スパークギャップの熱とコイルの抵抗として散逸するエネルギーによって徐々に消えていきます。
5. スパークギャップを流れる電流がギャップ内の空気をイオン化し続けるのに十分でなくなると、スパークは停止し（「消滅」し）、一次回路の電流が終了します。二次回路の振動電流はしばらく続くことがあります。
6. 電源トランスからの電流が再びコンデンサC1 を充電し始め、サイクルが繰り返されます。

このサイクル全体は非常に高速で発生し、振動は1ミリ秒程度の時間で消滅します。スパークギャップを横切る各スパークは、コイルの出力端子に減衰正弦高電圧のパルスを生成します。各パルスは次のスパークが発生する前に消滅するため、コイルは連続した正弦電圧ではなく、減衰波の列を生成します。 ^[10]コンデンサを充電する電源トランスからの高電圧は、50 Hzまたは60 Hzの正弦波です。スパークギャップの設定方法に応じて、通常、主電源電流の各半サイクルのピーク時に1つまたは2つのスパークが発生するため、1秒間に100を超えるスパークが発生します。したがって、スパークギャップでのスパークは連続しているように見え、コイル上部からの高電圧ストリーマも同様です。

電源トランス(T) の二次巻線は、一次同調回路に接続されています。トランスは RF 電流の漏れ経路となり、振動を減衰させるように見えるかもしれません。しかし、その大きなインダクタンスにより、共振周波数で非常に高いインピーダンスが得られるため、振動電流に対してオープン回路として機能します。電源トランスの短絡インダクタンスが不十分な場合は、RF 電流をブロックするために二次リードに無線周波数チョークが配置されます。

最大の出力電圧を生成するために、一次側と二次側の同調回路は互いに共振するように調整される。 ^{[9] [10] [13]一次側と二次側の回路の}共振周波数およびは、各回路のインダクタンスと静電容量によって決まる。 ^{[9] [10] [13]}${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$

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

_{通常、二次側は調整できないため、一次回路は、通常は一次コイル L 1}の可動タップによって、二次側と同じ周波数で共振するまで調整されます。

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

したがって、一次側と二次側の間の共鳴の条件は次のようになります。

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

テスラコイルの共振周波数は、通常 50 kHz から 1 MHz の低無線周波数(RF) 範囲にあります。ただし、スパークの衝撃的な性質により、広帯域の無線ノイズが生成され、シールドなしではRFIの大きな発生源となり、近くのラジオやテレビの受信に干渉する可能性があります。

共振変圧器では、高電圧は共振によって生成される。出力電圧は、通常の変圧器のように巻数比に比例しない。^{[15] [20]これは}エネルギー保存則から近似的に計算できる。サイクルの初めに火花が散り始めると、一次回路のすべてのエネルギーが一次コンデンサに蓄えられる。が火花ギャップが破壊される電圧であり、通常は電源変圧器Tのピーク出力電圧に近い場合、このエネルギーは ${\displaystyle W_{1}}$${\displaystyle C_{1}}$${\displaystyle V_{1}}$

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

「リングアップ」の間、このエネルギーは二次回路に伝達されます。一部は火花やその他の抵抗で熱として失われますが、現代のコイルではエネルギーの85％以上が二次回路に送られます。^[10]二次正弦波電圧波形のピーク（）では、二次回路のすべてのエネルギーが二次コイルの両端間の静 電容量に蓄えられます。${\displaystyle V_{2}}$${\displaystyle W_{2}}$${\displaystyle C_{2}}$

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

エネルギー損失がないと仮定すると、この式に代入して簡略化すると、ピーク二次電圧は^{[9] [10] [15]となる。}${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$

上記の2番目の式は、共振条件を使用して最初の式から導き出されます。^[15]二次コイルの静電容量は一次コンデンサに比べて非常に小さいため、一次電圧は高い値に昇圧されます。^[10]${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$

上記のピーク電圧は、空中放電が発生しないコイルでのみ達成されます。娯楽用コイルのように火花を発生するコイルでは、端子のピーク電圧は、空気が分解して導電性になる電圧に制限されます。^{[10] [15] [17]}各電圧パルス中に出力電圧が増加すると、高電圧端子に隣接する空気がイオン化し、端子からコロナ、ブラシ放電、ストリーマアークが発生するポイントに達します。これは、電界強度が空気の誘電強度（1センチメートルあたり約30kV）を超えた場合に発生します。電界は鋭い点やエッジで最大になるため、高電圧端子のこれらの点で空中放電が始まります。高電圧端子の電圧は、空気破壊電圧を超えて上昇することはできません。二次巻線から端子に注入された追加の電荷が空気中に逃げてしまうためです。開放型テスラコイルの出力電圧は空気絶縁破壊により数百万ボルトに制限されますが^{[6] 、}絶縁油の加圧タンクに浸漬されたコイルではより高い電圧を実現できます。

ほとんどのテスラコイルの設計では、高電圧端子に滑らかな球形またはトロイダル形の金属電極が取り付けられています。この電極はコンデンサーの一方のプレートとして機能し、もう一方のプレートはアースで、二次巻線とともに同調回路を形成します。「トロイド」は二次容量を増加させ、ピーク電圧を低下させる傾向がありますが、その主な効果は、その大径の曲面が高電圧端子の電位勾配（電界）を低下させることです。これはコロナリングと同様に機能し、コロナ放電やブラシ放電などの空気放電が発生する電圧しきい値を高めます。^[21]空気の早期破壊とエネルギー損失を抑制することで、波形のピークで電圧がより高い値に上昇し、空気放電が最終的に発生したときに、より長く、より壮大なストリーマを作成できます。^[15]

上部電極が十分に大きくて滑らかであれば、その表面の電界はピーク電圧でも空気絶縁破壊を引き起こすほど高くなることはなく、空気放電は発生しません。娯楽用コイルの中には、放電を開始するためにトーラスから突き出た鋭い「スパークポイント」を備えているものもあります。^[21]

「テスラコイル」という用語は、多くの高電圧共振変圧器回路に適用されます。

テスラコイル回路は、使用する「励起」の種類、つまり共振トランスの一次巻線に電流を流すために使用される回路の種類によって分類できます。^{[6] [22] [23]}

• スパーク励起型またはスパークギャップ型テスラコイル (SGTC) : このタイプは、スパークギャップを使用して一次回路を閉じ、共振変圧器で振動を励起します。スパークギャップは、処理しなければならない一次電流が大きいため、欠点があります。動作中に非常に大きなノイズが発生し、有害なオゾンガスが発生し、冷却システムが必要になる可能性のある高温になります。また、スパークで消費されるエネルギーによって、Q 係数と出力電圧も低下します。テスラのコイルはすべてスパーク励起型でした。
  • 静的スパークギャップ: これは最も一般的なタイプで、前のセクションで詳しく説明しました。ほとんどのエンターテイメントコイルで使用されています。高電圧供給トランスからの AC 電圧がコンデンサを充電し、コンデンサはスパークギャップを通じて放電します。スパーク率は調整できませんが、50 Hz または 60 Hz のライン周波数によって決まります。各半サイクルで複数のスパークが発生する可能性があるため、出力電圧のパルスは均等間隔にならない場合があります。
  • 静的トリガスパークギャップ：商用および産業用の回路では、コンデンサを充電するために電源から直流電圧を印加し、トリガ電極に印加された発振器によって生成された高電圧パルスを使用してスパークをトリガすることがよくあります。^{[7] [23]これにより、スパーク速度と励起電圧を制御できます。商用のスパークギャップは、多くの場合、}六フッ化硫黄などの絶縁ガス雰囲気で囲まれており、長さが短縮され、スパークのエネルギー損失が減少します。
  • 回転スパークギャップ: モーターによって高速回転するホイールの周囲に電極を配置したスパークギャップを使用し、固定電極を通過するときにスパークを発生させます。^[23]テスラは大型コイルにこのタイプを使用し、現在では大型のエンターテイメントコイルに使用されています。電極の分離速度が速いため、スパークが急速に消滅し、「最初のノッチ」の消滅が可能になり、より高い電圧が可能になります。ホイールは通常、同期モーターによって駆動されるため、スパークはACライン周波数と同期され、各サイクルでAC波形の同じポイントでスパークが発生するため、一次パルスは繰り返し可能です。
• スイッチ型またはソリッドステートテスラコイル（SSTC）：これらは、通常はサイリスタやMOSFETやIGBTなどのトランジスタなどのパワー半導体デバイスを使用し、^[7]ソリッドステート発振回路によってトリガーされ、DC電源からの電圧パルスを一次巻線に通します。^[23]これらは、スパークギャップの欠点である大きなノイズ、高温、効率の悪さなしにパルス励起を提供します。電圧、周波数、励起波形は細かく制御できます。SSTCは、ほとんどの商業、産業、研究用途で使用され、^[7]高品質の娯楽用コイルにも使用されています。
  • 単一共振ソリッド ステート テスラ コイル (SRSSTC) : この回路では、一次側に共振コンデンサがないため、二重同調回路ではありません。二次側のみが二重同調回路です。スイッチング トランジスタから一次側に流れる電流が、二次同調回路で共振を励起します。単一同調 SSTC はよりシンプルですが、単一共振回路は通常Q 係数が低いため、他の条件が同じであれば、二重共振回路よりも蓄積されるエネルギーが少なく、生成される電圧も低くなります。
  • デュアル共振ソリッドステートテスラコイル (DRSSTC) : この回路は、二重同調スパーク励起回路に似ていますが、一次回路の AC 電源トランス ( T ) の代わりに DC 電源がコンデンサを充電し、スパークギャップ半導体スイッチの代わりにコンデンサと一次コイル間の回路が完成します。

• • 歌うテスラコイルまたは音楽的なテスラコイル: これは別のタイプの励起ではなく、固体一次回路を改造して、楽器のように演奏できるテスラコイルを作成するもので、高電圧放電によって単純な楽音を再生します。一次側に適用される駆動電圧パルスは、固体「遮断器」回路によってオーディオ速度で変調され、高電圧端子からのアーク放電によって音が出ます。これまでのところ、音と単純なコードしか生成されていません。コイルは、複雑な音楽や音声を再生するスピーカーとして機能することはできません。サウンド出力は、 MIDIインターフェイスを介して回路に適用されるキーボードまたはMIDI ファイルによって制御されます。2 つの変調技術が使用されています: AM (励起電圧の振幅変調) と PFM (パルス周波数変調)。これらは主に娯楽用の新製品として構築されています。
• 連続波: これらの変圧器はフィードバック発振器によって駆動され、RF電流の各サイクルで一次巻線に電流パルスを印加して連続発振を励起します。^[23]一次同調回路は発振器のタンク回路として機能し、回路は無線送信機に似ています。パルス出力を生成する以前の回路とは異なり、連続正弦波出力を生成します。パワー真空管は、トランジスタの代わりに能動デバイスとしてよく使用されます。これは、パワー真空管の方が堅牢で過負荷に強いためです。一般に、連続励起は、パルス励起よりも所定の入力電力から低い出力電圧を生成します。^[23]

テスラ回路は、共振コイル（インダクタ）の数によっても分類できる。^{[24] [25]}

• 2 つのコイルまたは二重共振回路: 現在のテスラ コイルのほとんどすべては、電流パルスが適用される一次巻線と高電圧を生成する二次巻線で構成される 2 つのコイル共振トランスを使用しており、これは 1891 年にテスラによって発明されました。「テスラ コイル」という用語は通常、これらの回路を指します。
• 3コイル、三重共振、または拡大回路: これらは3つのコイルを持つ回路で、テスラが1898年より前に実験を始め、1899年から1900年にかけてコロラドスプリングスの研究所に設置し、1902年に特許を取得した「拡大送信機」回路に基づいています。 ^{[26] [27] [28]}これらはテスラ変圧器に似た2コイル空芯昇圧変圧器で構成され、二次側は他のコイルとは磁気的に結合していない3番目のコイルに接続され、「追加」または「共振器」コイルと呼ばれ、直列給電され、自身の静電容量で共振します。出力はこのコイルの自由端から得られます。3つのエネルギー貯蔵タンク回路があるため、この回路の共振動作はより複雑になります。^[29]これは研究対象ですが、実用的な用途ではほとんど使用されていません。

電気振動と共振空芯変圧器回路は、テスラ以前にも研究されていた。^{[37] [36]} ライデン瓶を使用した共振回路は、1826年初めにフェリックス・サヴァリー、ジョセフ・ヘンリー、ウィリアム・トムソン、オリバー・ロッジによって発明された。^[38]ヘンリー・ローランドは1889年に共振変圧器を製作した。 ^[31]エリヒュー・トムソンはテスラと同時期にテスラコイル回路を独自に発明した。^{[39] [40] [41] [30]}テスラは1891年4月25日にテスラコイル回路の特許を取得した。 ^{[42] [43]そして、1891年5月20日、ニューヨークの}コロンビア大学でアメリカ電気技術者協会で行った講演「超高周波交流電流の実験と人工照明法への応用」で初めて公に実証した。^{[44] [45] [34]}テスラはこの時期に多くの類似の回路の特許を取得しましたが、これはテスラコイルのすべての要素、つまり高電圧一次変圧器、コンデンサ、スパークギャップ、および空芯「発振変圧器」を組み込んだ最初の回路でした。

現代の高電圧愛好家は、通常、テスラの「後期」の 2 コイル空芯設計に似たテスラ コイルを製作します。これらは通常、一次タンク回路、高電圧コンデンサ、スパーク ギャップ、一次コイルで構成される直列 LC (インダクタンス-キャパシタンス) 回路、および二次 LC 回路 (二次コイルと端子キャパシタンスまたは「トップ ロード」で構成される直列共振回路) で構成されます。テスラのより高度な (拡大鏡のような) 設計では、3 番目のコイルが追加されます。二次 LC 回路は、別の 3 番目のコイル ヘリカル共振器の下部を駆動する、密結合空芯変圧器二次コイルで構成されます。現代の 2 コイル システムでは、単一の二次コイルを使用します。二次コイルの上部は、コンデンサの 1 つの「プレート」を形成するトップロード端子に接続され、もう1 つの「プレート」はアース (または「グランド」) になります。一次 LC 回路は、二次 LC 回路と同じ周波数で共振するように調整されます。一次コイルと二次コイルは磁気的に結合されており、二重同調共振空芯トランスを形成します。初期の油絶縁テスラコイルは、空気中での放電を防ぐために高電圧端子に大きく長い絶縁体が必要でした。後のテスラコイルは、そもそも高い電気ストレスを防ぐために電界をより長い距離に広げ、自由空気中での動作を可能にしました。最新のテスラコイルのほとんどは、トロイド形状の出力端子も使用しています。これらは、多くの場合、紡糸金属または柔軟なアルミニウムダクトで作られています。トロイド形状は、火花を一次巻線と二次巻線から外側に向けることで、二次巻線の上部近くの高電界を制御するのに役立ちます。

テスラコイルのより複雑なバージョンは、テスラによって「拡大鏡」と呼ばれ、より密に結合された空芯共振「ドライバー」トランス（または「マスター発振器」）と、比較的小さなコイルフォームに多数の巻き数を持つ、離れた場所にあるより小さな出力コイル（「追加コイル」または単に共振器と呼ばれる）を使用します。ドライバーの二次巻線の下部は接地されています。反対側の端は、伝送線路と呼ばれることもある絶縁導体を介して追加コイルの下部に接続されています。伝送線は比較的高い RF 電圧で動作するため、コロナ損失を減らすために通常は直径 1 インチの金属管で作られています。3 番目のコイルはドライバーから少し離れた位置にあるため、ドライバーとは磁気的に結合していません。代わりに、RF エネルギーはドライバーの出力から 3 番目のコイルの底部に直接結合され、非常に高い電圧に「鳴り響き」ます。2 つのコイル ドライバーと 3 番目のコイル共振器の組み合わせにより、システムにもう 1 つの自由度が追加され、2 つのコイル システムよりもチューニングがかなり複雑になります。複数の共振ネットワーク (テスラ マグニファイアはそのサブセット) の過渡応答は、最近になってようやく解決されました。^[46]現在では、さまざまな便利なチューニング「モード」が利用可能であることがわかっており、ほとんどの動作モードでは、追加のコイルはマスター発振器とは異なる周波数で鳴ります。^[47]

現代のトランジスタまたは真空管テスラコイルは、一次スパークギャップを使用しません。代わりに、トランジスタまたは真空管が、一次回路の RF 電力を生成するために必要なスイッチング機能または増幅機能を提供します。ソリッドステートテスラコイルは、通常 155 ～ 800 ボルトの最も低い一次動作電圧を使用し、トランジスタ、MOSFET、またはIGBTの単一、ハーフブリッジ、またはフルブリッジ配置を使用して一次巻線を駆動し、一次電流を切り替えます。真空管コイルは通常、1500 ～ 6000 ボルトのプレート電圧で動作しますが、ほとんどのスパークギャップコイルは 6,000 ～ 25,000 ボルトの一次電圧で動作します。従来のトランジスタテスラコイルの一次巻線は、二次コイルの下部にのみ巻かれています。この構成は、二次がポンプ共振器として動作することを示しています。一次側は二次側の一番下の部分に交流電圧を「誘導」し、規則的な「プッシュ」を提供します (遊び場のブランコを適切なタイミングで押すのと同様)。各「プッシュ」中に、一次側から二次側のインダクタンスとトップ ロード キャパシタンスにエネルギーが追加転送され、二次側の出力電圧が増加します (「リングアップ」と呼ばれます)。通常、電子フィードバック回路を使用して一次側の発振器を二次側の増大する共振に適応的に同期させます。これは、適切なトップ ロードの初期選択以外で考慮すべき唯一の調整事項です。

デュアル共振ソリッドステート テスラ コイル (DRSSTC) では、ソリッドステート テスラ コイルの電子スイッチングが、スパーク ギャップ テスラ コイルの共振一次回路と組み合わされています。共振一次回路は、コイルの一次巻線にコンデンサを直列に接続することによって形成され、その組み合わせにより、二次回路の共振周波数に近い共振周波数を持つ直列タンク回路が形成されます。共振回路が追加されているため、手動調整とアダプティブ調整が 1 つずつ必要です。また、通常、スイッチング ブリッジのデューティ サイクルを減らしてピーク電力能力を向上させるために、遮断器が使用されます。同様に、このアプリケーションでは、優れた電力処理特性のため、IGBT がバイポーラ接合トランジスタや MOSFETよりも人気があります。通常、電流制限回路を使用して、最大一次タンク電流 (IGBT によって切り替える必要がある) を安全なレベルに制限します。 DRSSTC の性能は中出力のスパークギャップ テスラ コイルに匹敵し、効率 (スパーク長と入力電力の関係で測定) は同じ入力電力で動作するスパークギャップ テスラ コイルよりも大幅に高くなります。

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より現代的なデザインの大型テスラコイルは、多くの場合、数メガワット（数百万ワット、数千馬力に相当）に及ぶ非常に高いピーク電力レベルで動作します。したがって、効率と経済性だけでなく、安全性のためにも、慎重に調整および操作されます。不適切な調整により、最大電圧点が二次コイルに沿って端子の下で発生すると、放電（火花）が発生し、コイルワイヤ、サポート、または近くの物体が損傷または破壊される可能性があります。

テスラは、これらと他の多くの回路構成を実験しました (右を参照)。テスラ コイルの一次巻線、スパーク ギャップ、タンク コンデンサは直列に接続されています。各回路では、AC 電源トランスがタンク コンデンサを、スパーク ギャップを破壊できる電圧になるまで充電します。ギャップが突然発火し、充電されたタンク コンデンサが一次巻線に放電します。ギャップが発火すると、どちらの回路の電気的動作も同じになります。実験により、どちらの回路も他方よりも顕著なパフォーマンス上の利点がないことがわかっています。

ただし、一般的な回路では、スパークギャップの短絡動作により、高周波振動が電源トランスに「逆流」するのを防ぎます。代替回路では、コンデンサに現れる高振幅の高周波振動が電源トランスの巻線にも適用されます。これにより、巻線間にコロナ放電が発生し、トランスの絶縁が弱まり、最終的には破壊される可能性があります。経験豊富なテスラコイルビルダーは、ほとんどの場合、上部の回路のみを使用し、電源トランスとスパークギャップの間にローパスフィルター（抵抗とコンデンサ（RC）ネットワーク）を追加して、電源トランスを保護します。これは、ネオンサイントランス（NST）などの壊れやすい高電圧巻線を備えたトランスを使用する場合に特に重要です。どの構成を使用するかに関係なく、HVトランスは、内部短絡インダクタンスによって二次電流を自己制限するタイプである必要があります。通常の（短絡インダクタンスが低い）高電圧トランスでは、電流を制限するために外部リミッタ（バラストと呼ばれることもあります）を使用する必要があります。NST は、短絡電流を安全なレベルに制限するために、短絡インダクタンスが高くなるように設計されています。

一次コイルの共振周波数は、低電力振動を使用して二次コイルの共振周波数に調整され、その後、システムが最大電力で適切に動作するまで電力を増加させます (必要に応じて再調整)。調整中は、コロナ放電とスパーク放電 (ストリーマと呼ばれることもあります) を周囲の空気中に刺激するために、上部端子に小さな突起 (「ブレイクアウト バンプ」と呼ばれる) が追加されることがよくあります。次に、一次コイルと二次コイルの周波数の一致に対応する、特定の電力レベルで最長のストリーマを実現するように調整できます。ストリーマによる容量性の「負荷」により、フル電力で動作するテスラ コイルの共振周波数が低下する傾向があります。球形などの他の形状よりも、トロイダル トップロードが好まれることがよくあります。二次コイルの直径よりもはるかに大きい主直径を持つトロイダルは、トップロードでの電界の形成を改善します。これにより、同様の直径の球形よりも二次巻線を (損傷を与えるストリーマの衝撃から) よりよく保護できます。また、トロイドは、トップロード容量とスパーク ブレークアウト電圧をかなり独立して制御できます。トロイドの容量は主にその長径の関数であり、スパーク ブレークアウト電圧は主にその短径の関数です。グリッド ディップ オシレータ (GDO) は、初期チューニングを容易にし、設計を支援するために使用されることがあります。二次側の共振周波数は、GDO またはその他の実験方法を使用しない限り、決定するのが難しい場合がありますが、一次側の物理的特性は、RF タンク設計の集中近似値に近いものです。このスキームでは、二次側は、他の成功した設計を模倣して多少恣意的に構築されるか、または手元にある資材を使用して完全に構築され、その共振周波数が測定され、それに合わせて一次側が設計されます。

娯楽用に作られたコイルなど、空中放電を生成するコイルでは、二次側とトロイドからの電気エネルギーが電荷、熱、光、音として周囲の空気に伝達されます。このプロセスはコンデンサの充電または放電に似ていますが、テスラコイルは DC ではなく AC を使用します。コンデンサ内の電荷の移動によって発生する電流は、変位電流と呼ばれます。テスラコイルの放電は、高電圧トロイドと空気中の近くの領域 (空間電荷領域と呼ばれる) の間で電荷パルスが急速に移動するため、変位電流の結果として形成されます。トロイドの周りの空間電荷領域は目に見えませんが、テスラコイルの放電の外観と場所に重要な役割を果たします。

スパークギャップが点火すると、充電されたコンデンサが一次巻線に放電し、一次回路が振動します。振動する一次電流は、二次巻線に結合する振動磁場を生成し、トランスの二次側にエネルギーを伝達し、トロイドの接地容量とともに振動を引き起こします。エネルギー伝達は、一次側にあったエネルギーのほとんどが二次側に移されるまで、数サイクルにわたって発生します。巻線間の磁気結合が大きいほど、エネルギー伝達が完了するまでの時間が短くなります。振動する二次回路内でエネルギーが蓄積されると、トロイドの RF 電圧の振幅が急速に増加し、トロイドの周囲の空気が誘電破壊を起こし、コロナ放電が形成されます。

二次コイルのエネルギー (および出力電圧) が増加し続けると、より大きな変位電流パルスが最初の絶縁破壊点の空気をさらにイオン化し、加熱します。これにより、リーダーと呼ばれる、非常に導電性の高い高温プラズマの「根」が形成され、トロイドから外側に突き出ます。リーダー内のプラズマはコロナ放電よりもかなり高温で、導電性もかなり高くなります。実際、その特性は電気アークに似ています。リーダーは先細りになり、何千ものより細く冷たい髪の毛のような放電 (ストリーマと呼ばれる) に分岐します。ストリーマは、より明るいリーダーの端で青みがかった「もや」のように見えます。ストリーマは、リーダーとトロイドの間で電荷を近くの空間電荷領域に転送します。無数のストリーマからの変位電流はすべてリーダーに流れ込み、リーダーを高温で導電性のある状態に保ちます。

スパーク テスラ コイルの一次ブレーク レートは、共振器トップロード アセンブリの共振周波数に比べて低速です。スイッチが閉じると、エネルギーが一次 LC 回路から共振器に転送され、そこで電圧が短時間で上昇して放電に至ります。スパーク ギャップ テスラ コイルでは、一次から二次へのエネルギー転送プロセスが、入力ライン電圧の周波数に応じて、1 秒あたり 50 ～ 500 回の典型的なパルス レートで繰り返し発生します。これらのレートでは、以前に形成されたリーダー チャネルは、パルス間で完全に冷却する機会がありません。そのため、連続するパルスでは、新しい放電が、前の放電によって残されたホット パスウェイ上に構築される可能性があります。これにより、リーダーが 1 つのパルスから次のパルスへと徐々に成長し、連続する各パルスでの放電全体が長くなります。繰り返しパルスが発生すると、放電は成長し、各パルス中にテスラ コイルから得られる平均エネルギーが、放電で失われる平均エネルギー (主に熱として) と釣り合います。この時点で、動的平衡に達し、放電はテスラコイルの出力電力レベルで最大の長さに達します。上昇する高電圧無線周波数エンベロープと反復パルスの独自の組み合わせは、出力電圧のみを考慮して予想されるよりもかなり長い、長く分岐した放電を作成するのに理想的であると思われます。高電圧、低エネルギー放電は、紫がかった青みがかった色のフィラメント状の多分岐放電を作成します。高電圧、高エネルギー放電は、分岐が少なく太い放電を作成し、青白く明るく、ほぼ白色で、イオン化が増加するため、低エネルギー放電よりもはるかに長くなります。そのエリアにはオゾンと窒素酸化物の強い臭いが発生します。最大放電長の重要な要因は、電圧、エネルギー、および低湿度から中湿度の静止空気のようです。パルス状の低周波 RF 放電の開始と成長に関する科学的研究は比較的少ないため、テスラ コイルの空中放電のいくつかの側面は、DC、電力周波数 AC、HV インパルス、および雷放電と比較すると十分に理解されていません。

現在、小型テスラコイルは科学的な高真空システムの漏れ検出器^[5]やアーク溶接機の点火装置^[48]として使用されていますが、主な用途は娯楽や教育用のディスプレイです。

テスラコイルは科学博物館や電子工学フェアでアトラクションとして展示され、学校や大学の理科の授業では高周波電気の原理を説明するために使用されています。^[49]

テスラコイルはアマチュアでも作れるほど簡単なので、学生の科学フェアのプロジェクトとして人気があり、世界中の大規模な愛好家のコミュニティによって手作りされています。趣味でテスラコイルを作る人は「コイラー」と呼ばれます。彼らは「コイリング」コンベンションに参加し、自家製のテスラコイルやその他の高電圧デバイスを展示します。低電力テスラコイルは、キルリアン写真の高電圧源として使用されることもあります。

現在世界最大のテスラコイルは、グレッグ・レイとエリック・オールが製作した13万ワットのユニットで、アラン・ギブスが所有する高さ38フィート（12メートル）の彫刻「エレクトラム」の一部であり、現在はニュージーランドのオークランド近郊のカカヌイポイントにある私設彫刻公園に設置されている。 ^{[50] [51]シド・クリンゲが設計・製作したもう一つの非常に大きなテスラコイルは、毎年カリフォルニア州コーチェラで開催される}コーチェラ・バレー・ミュージック・アンド・アーツ・フェスティバルで展示されている。^[要出典]

テスラコイルは、 MIDIデータと制御ユニットを介してシステムの有効な「ブレークレート」（高出力 RF バーストのレートと持続時間）を変調することで、音楽を含む音を生成するためにも使用できます。実際の MIDI データはマイクロコントローラによって解釈され、MIDI データをPWM出力に変換します。この出力は、光ファイバー インターフェイスを介してテスラコイルに送信できます。イリノイ大学アーバナシャンペーン校のエンジニアリング オープン ハウス (EOH) では、大規模な屋外音楽コンサートでテスラコイルの使用が披露されました。アイスランドのアーティスト、ビョークは、曲「サンダーボルト」で、曲のメイン楽器としてテスラコイルを使用しました。音楽グループArcAttack は、変調されたテスラコイルと金網スーツを着た男性を使用して音楽を演奏しています。

高真空システムを扱う科学者は、小型の携帯型テスラコイルで発生する高電圧放電を使用して、装置（特に新しく吹きガラスしたガラス製品）に小さなピンホールがないか検査します。システムを真空にすると、コイルの高電圧電極が装置の外側に当てられます。低圧では、空気はイオン化しやすく、大気圧の空気よりも電気伝導性がよくなります。そのため、放電はピンホールの真下を通過し、真空空間内にコロナ放電を発生させてピンホールを照らし、実験に使用する前に焼きなましまたは再吹き込みが必要な箇所を示します。

2016年、ライス大学の科学者たちはテスラコイルの磁場を利用して、小さなカーボンナノチューブを遠隔的に回路に整列させ、このプロセスを「テスラフォレシス」と名付けました。^{[52] [53]}

テスラコイルの出力端子から出る高電圧の無線周波（RF）放電は、他の高電圧機器には見られない独特の危険性がある。体内を通過しても、低周波のAC電流やDC電流のように、感電による痛みや筋肉の収縮を引き起こさないことが多い。^{[54] [9] [55] [56]}神経系は、10～20 kHzを超える周波数の電流には鈍感である。^[57]その理由は、神経細胞を脱分極させてインパルスを伝達させるには、印加電圧によって一定数のイオンが神経細胞の膜を横切る必要があるためだと考えられている。無線周波数では、交流電圧が逆転する前に半サイクルの間に十分なイオンが膜を通過する時間が足りない。^[57]危険なのは、痛みが感じられないため、実験者が電流は無害であると想定することが多いことである。教師や愛好家が小型テスラコイルの実演を行う際には、高電圧端子に触れたり、ストリーマーアークを体に通したりして、観客を感心させることが多い。^{[58] [59] [9]}

高電圧端子からのアークが皮膚に当たると、高周波熱傷と呼ばれる深部の火傷を引き起こす可能性があります。^{[60] [61]}これを回避するには、アークが手に持った金属片や指に刺さった指ぬきに当たるようにします。電流は金属から人の手に広い表面積を通って流れるため、火傷を起こさずに済みます。^[9]多くの場合、感覚は感じられず、温かさやチクチクするだけです。

しかし、これは電流が無害であることを意味するものではない。^[62]たとえ小さなテスラコイルであっても、周波数が心室細動を引き起こすほど低ければ、心臓を止めるのに必要な電気エネルギーの何倍も生み出す。^{[63] [64]}コイルのわずかな調整ミス​​が感電につながる可能性がある。さらに、高周波電流は通過する組織を加熱する。慎重に制御されたテスラコイル電流は、電極によって皮膚に直接適用され、20世紀初頭には長波ジアテルミーの医療分野で深部組織を加熱するために使用された。^[55]加熱量は電流密度に依存し、電流密度はテスラコイルの出力と、電流が体から地面まで通る経路の断面積に依存する。^[56]特に、電流が血管や関節などの狭い構造を通過すると、局所組織の温度が高熱レベルに上昇し、内臓を「調理」したり、その他の損傷を引き起こしたりする可能性がある。テスラコイルの周波数範囲0.1～1MHzにおける体内のRF電流に関する国際ICNIRP安全基準では、最大電流密度を0.2mA/平方センチメートル、組織の最大電力吸収率（SAR）を手足で4W/kg、体全体で平均0.8W/kgと規定している。^{[65]低出力テスラコイルでもこれらの制限を超える可能性があり、身体障害が始まる閾値電流を特定することは通常不可能である。高出力}（> 1000ワット）テスラコイルからのアークに打たれると、致命的となる可能性が高い。

この方法のもう一つの危険性として報告されているのは、高電圧端子からのアークがコイルの一次巻線に当たることが多いということである。^{[54] [62]}これにより、電源トランスからの致死的な50または60Hz一次電流が出力端子に到達する導電経路が瞬間的に形成される。その時に人が出力端子に触れたり、端子からのアークが人の体に当たることで出力端子に接続されている場合、高一次電流が導電性のイオン化空気経路を通り、人体を通って地面に流れ、感電を引き起こす可能性がある。

テスラコイル愛好家の間では、感電しない理由について誤った説明が根強く残っており、高周波電流は体の表面近くを伝わり、表皮効果と呼ばれる電磁気現象により重要な臓器や神経に浸透しないというものである。^{[63] [9] [66] [67]}

この理論は誤りである。^{[68] [69] [70] [54] [64] [71]} RF電流は表皮効果により導体の表面を流れる傾向があるが、浸透する深さ、つまり表皮深度は、材料の抵抗率と透磁率、および周波数に依存する。^{[72] [73]}表皮効果により、テスラコイル周波数の電流は金属導体内では外側の数分の1ミリメートルに制限されるが、体組織内の電流の表皮深度は、その高い抵抗率のため、はるかに深くなる。テスラ周波数（0.1〜1MHz）の電流が人体組織に浸透する深さは、およそ24〜72センチメートル（9〜28インチ）である。^{[73] [72] [54]}最も深い組織でさえ表面からこれよりも近いため、表皮効果は体内の電流の経路にほとんど影響を与えない。^{[71]地面への}電気インピーダンスが最小となる経路を取る傾向があり、体幹部を容易に通過することができる。^{[74] [54] [73]長波}ジアテルミーと呼ばれる医療療法では、テスラ周波数の慎重に制御されたRF電流が、肺などの内臓の加熱を含む深部組織の加温に何十年も使用されてきた。^{[74] [55]}現代の短波ジアテルミー装置は27MHzというより高い周波数を使用しており、それに応じて皮膚の深さは小さくなるが、これらの周波数は依然として深部組織に浸透することができる。^[69]

テスラの特許

• 「電気変圧器または誘導装置」。米国特許第433,702号、1890年8月5日^[75]
• 「電流発生手段」、米国特許第514,168号、1894年2月6日
• 「電気変圧器」、特許番号 593,138、1897 年 11 月 2 日
• 「放射エネルギーの利用方法」、特許番号685,958 1901年11月5日
• 「信号伝達方法」、米国特許第723,188号、1903年3月17日
• 「信号伝達システム」、米国特許第725,605号、1903年4月14日
• 「電気エネルギーを伝送する装置」、1902 年 1 月 18 日、米国特許 1,119,732、1914年 12 月 1 日

他人の特許

• JS ストーン、米国特許 714,832、「電磁信号波を増幅する装置」(1901 年 1 月 23 日出願、1902 年 12 月 2 日発行)
• A. Nickle、米国特許 2,125,804、「アンテナ」(1934 年 5 月 25 日出願、1938 年 8 月 2 日発行)
• William W. Brown、米国特許 2,059,186、「アンテナ構造」(1934 年 5 月 25 日出願、1936 年 10 月 27 日発行)。
• Robert B. Dome、米国特許 2,101,674、「アンテナ」(1934 年 5 月 25 日出願、1937 年 12 月 7 日発行)
• アームストロング、EH、米国特許 1,113,149、「無線受信システム」。1914 年。
• アームストロング、EH、米国特許1,342,885、「高周波振動を受信する方法」。1922年。
• アームストロング、EH、米国特許 1,424,065、「信号システム」。1922 年。
• Gerhard Freiherr Du Prel、米国特許 1,675,882、「高周波回路」。(1925 年 8 月 11 日出願、1928 年 7 月 3 日発行)
• Leydorf, GF、米国特許 3,278,937、「アンテナ近傍場結合システム」。1966 年。
• Van Voorhies、米国特許 6,218,998、「トロイダル ヘリカル アンテナ」
• ジーン・クーンセ、米国特許 6,933,819、「多周波数電磁場発生器」。(2004 年 10 月 29 日出願、2005 年 8 月 23 日発行)

• ファラデーケージ
• ヘンリー・ルロイ・トランストロム – アメリカの発明家Pages displaying wikidata descriptions as a fallback、高電圧電気を扱った発明家、ショーマン
• ニコラ・テスラの特許一覧
• オーダンコイル – 1893年にポール・マリー・オーダンによって発明された共振変圧器回路
• ヴァンデグラフ発電機
• ワイヤレス電力伝送 – 物理的な接続なしでの電力伝送

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