@ 과천과학관, 2008

테슬라 코일은 무엇인가 ?

테슬라 코일은 1차와 2차코일(이들은 서로 공진한다)로 되어있는 공심변압기이다. 이 1차, 2차 코일은 고주파에서 상대적으로 저전류를 변화시키는 단계적인 변압기로서 작용한다. 테슬라 코일은 고주파에서의 전기적인 현상들에 관한 기본적인 함수들을 표현하고 있다.

고주파 전계에 관련해서 그것은 절연체와 도체, 그리고 이들 사이에서의 가스들의 이온화 경향을 묘사하고 있다.

이 테슬라 코일의 발명자인 니콜라 테슬라의 확신에 의해, 테슬라 코일은 무선으로 전력을 전달하는 디바이스로 발명되었다. 안테나는 전달되어진 전기적 에너지를 전기적 시스템안으로 끌어들이기 위해 구조적으로 고안되었을 것이다. 이러한 테슬라 코일은 광대역의 고주파에서 정보보다는 파워를 전달하는 라디오 송.수신기로 간주될 수 있다.

* 테슬라 코일의 구성요소들

테슬라 코일은 공진기 혹은 변압기(그림에서 A와 B부분), 두 개의 고압용 캐패시터(H), 1차 코일 (D), 그리고 볼(ball)로 된 종단부분 또는 안테나(G)와 연결되어 있는 2차 코일(E)로 구성되어 있다. 공진기는 공심철판(A)으로 구성되어 있는데, 이 공심철심은 구리선으로 감겨있다. 그리고, 2개의 텅스텐 접점(B)으로 이루어진 버저가 있다. 이 접점은 스프링(C)에 의해 닫히거나 열리게 되어있는데, 이것은 철심을 통해서 전달되는 전류의 흐름(정방향, 혹은 역방향)에 의해 개폐동작을 하고, 스파크 갭(X)에서 불꽃 방전을 한다.

캐패시터는 2개의 큰 실린더로 이루어지는데, 이들은 버저 접점의 각각의 방향에 위치해 있고, 버저가 열릴 때 불꽃 방전을 하게 된다. 이들은 미리 크기와 용량이 결정된 고전압용 캐패시터이다.

1차 코일은 2번의 두꺼운 구리선(이 구리선은 절연되어 있다)으로 감겨져 있고, 2차 코일과는 접촉되지 않은 채 약간의 간격을 두고 떨어져 있다. 이 코일은 직렬로 캐패시터와 스파크 갭에 연결되어 있다. 2차 코일은 원추형 모양인데, 에나멜 구리선이 약 400번 정도 감겨져 있으며, 전압을 매우 높은 정도까지 점차적으로 높여지는 작용을 한다.
생산된 고전압은 볼 터미널(the ball terminal (G))에 의해 공기중으로 발산되어 진다.

* 테슬라 코일의 작동 원리

플러그(F)가 110V의 교류 전원에 연결될 때, 전기는 공진기(A)로 흘러 들어간다. 철심은 곧이어 전자장을 발생시켜 전자석으로 동작한다. 전자석에 의해 텅스텐 접점에 인력이 작용하면 버저(B)가 곧이어 닫히게 되어 이 전자장은 소멸하게 된다. AC(교류)에 의해 버저의 개폐동작이 1초에 120회의 비율로 일어난다.

캐패시터(H)는 버저가 열릴 때 충전된다. 이 때는 회로가 완전한 폐회로가 되어 전류가 캐패시터로 흘러들어가기 때문이다. 접점이 닫힐 때, 회로는 쇼트되어 더 이상 전류는 캐패시터로 흐르지 못하게 된다. 접점의 열림 동작은 스파크 갭(X) 사이의 공기를 이온화시키고, 이것은 공진기와 캐패시터 회로를 쇼트되게 하여 방전하도록 작동한다. 그러나, 캐패시터는 전하량을 유지하고 있다. 그 이유는 캐패시터의 동작이 전하량을 저장하고 있기 때문이다. 따라서, 전자계를 생성할 수 있는 에너지를 제공하고 있다고 하겠다.
스파크 갭(X)에서 일어나는 불꽃은 눈으로 보이는 것처럼 한 방향으로만 일어나는 단순한 스파크는 아니며, 실제적으로 서로 다른 방향으로 앞.뒤로 전달되는 여러 방향으로의 스파크로 되어 있다. 이들은 너무 빨라서 그 방출 방향을 눈으로 볼 수는 없다. 스파크가 일어나는 동안의 시간은 1초 이하이고, 따라서 1초에 수천번의 스파크가 발생하게 된다.

전자기장은 1차 코일(D)에 의해 형성되는데, 이는 캐패시터에 저장된 에너지를 자기 에너지로 바꾸어 준다. 전하는 철심안에 있는 자계가 소멸될 때 캐패시터에 의해 1차 코일로 옮겨지게 된다. 자계가 철심안에서 다시 활성화될 때, 1차 코일에서 발생되어진 자장이 한 번 소멸될 때 반대로 전하는 그것의 1/2 사이클로 매번 캐패시터로 옮겨간다. 자장이 이전에 발생되어진 전하들을 증가시킴으로써 점차적으로 전압을 높이게 된다.

따라서, 공진기는 공심 변압기로써 작동하여 AC전류의 매 절반 사이클을 가진 고전압을 발생시키는 작용을 하고, 생산되어진 고주파는 공진을 한다. 왜냐하면, 버저의 스파크 갭을 통하는 전기펄스 각각이 많은 전기적인 서지 에너지로 구성되어 있기 때문이다.

'Dr. Dee'에 의해 제공되어진 테슬라 코일에서 사용하는 캐패시터들은 특별히 선택되어진 크기와 용량을 가지고 있다. 이 이유는 충전하는 동시에 고주파를 필터링하는 역할도 겸하고 있는데, 이것은 직접 코일을 만질 때 쇼크를 방지하기 위해서이다.
1차 코일에서의 주파수는 대체로 1초에 수백만의 사이클에 도달한다.

* 공진의 조건(Condition of Resonance)

테슬라 코일의 1차 코일은 2차 코일의 공진 주파수와 동조하게끔하기 위해 캐패시터에 의해서 공진되도록 하고 있다. 이 때문에 구리선을 적당하게 감겨놓고 있다.다시 말하면, 캐패시터의 공진주파수가 2차 코일과 같아질 때 자장이 2차 코일에 형성된다.

대부분의 테슬라 코일은 이 형태를 취하거나 변형을 가합니다.
소자들의 값도 달라질 수도 있습니다.