テーマ名
テスラコイルの製作
目標
 強電に接する機会が少なくなり、高電圧回路の取り扱いを知らない生徒が多いのが現状である。そこで、高電圧・高周波の火花放電が観測できるステラコイルの製作に取り組んだ。  
指導方法
テスラコイルの製作
(1)二次コイルの製作
 アクリル製のパイプにエナメル線(0.6mm)を密に巻き二次コイルを製作した。 二次コイルは高さが約1m近くになり巻数も多いため熱膨脹等でゆるみを生じないように、エポキシ系接着剤で固定した。二次コイルの先端部分にはアルミニウム製の台座に、放電電圧を高めるためステンレス製の球を接続した。 完成した二次コイルの共振周波数を測定するため二次コイルの終端に10Ωの付加抵抗を接続しその両端に低周波発信器を接続し、周波数を変化させ、二次コイルにループ状に電線を巻きシンクロスコープを接続し観測波形が最大値を示したときの周波数が共振周波数となる。しかし共振周波数は二次コイルの置かれた状態(人間との距離・壁との距離・天井との距離等)により変動するため測定は何度も繰り返した。
(2)一次共振回路の製作
  一次共振回路は、一次コイル・共振用コンデンサ・放電ギャップ・微調整用コンデンサで構成する。一次コイルの巻数については、全ての回路が完成し接続した後、二次コイルの共振周波数にあわせて巻き数を決定した。二次コイルの共振周波数を二次コイル単独で測定した結果は約330KHZであったため、共振用コンデンサの容量を考え14回巻き測定を行った。後は微調整用のコンデンサを接続し目的の周波数に近くなるよう測定を繰り返す作業を行った。しかし一次コイルの巻数が微調整用コンデンサの調整範囲内になるまで、一次コイルを何度も切断し調整を繰り返した。しかし一次コイルを切断し調整することは、二次コイルの周辺の環境が変化することになり、そのため同時に二次コイルの共振周波数も測定しなければならなく、当然一次コイルの巻数が減ば、Lのインダクタンスも減少するため発信周波数は高くなり、二次コイルの共振周波数は逆にわずかずつであるが低くなって行った。測定を繰り返し微調整用コンデンサで調整可能な範囲まで 一次コイルを切断し巻き数を決定した。
(3)電源回路の製作
 一次共振回路を構成する部品は一次コイルLと共振用コンデンサCである。LとCの値の設定は、任意であるが一次共振回路でエネルギーが蓄積されるのはCである。コンデンサのエネルギーEcを大きくなるようにすれば良いためコンデンサの容量を大きくするだけではなく電圧を上げることも考えなければならない。そのため電源は高電圧を必要とする。直流高電圧電源を製作することは、不可能なため ネオントランスを使用することにした。直流を作るため高圧整流用ダイ オードをブリッジに接続し、全波整流回路を製作した。ダイオードの配 置については、高電圧を考慮し各ダイオードをアクリル製のケース内に配置し絶縁をした。安定した放電を起こすためには平滑用コンデンサを接続するべきであるが、価格の点で今回は省略した。
(4)ケースの製作
 各部品を配置するため、5mmのアクリル板でケースを製作し、部品相互の絶縁も考慮し製作した。
研究成果
研究発表(tesura.ppt 7907kB)
成果写真一覧(作動中のテスラコイル全景・二次コイルの放電状態・針状電極による放電・風車状電極による放電)
関連資料
回路図(tesuracoil.jpg 4kB)
使用部品