特斯拉线圈输电的新型探究实验

赵子棋，张自钫，赵家智，冯金波

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102200；2.中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京 102200；3.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102200)

在19世纪末，美籍科学家尼古拉·特斯拉提出了利用特斯拉线圈进行无线输电和单线电能传输的思想，其中单线电能传输(Single-Wire Power Transmission，SWPT)仅使用单根导线传输电能[1]。此后，国内外也开展一些研究。然而，其输电原理一直无法用一个清晰、简单的图像或公式表示，以便于学生在《大学物理实验》课程中学习。

南阳理工学院团队[2]在SWPT系统的基础上，利用极板可移动电容代替单根导线，提出了基于电场共振的无线电能传输装置。但是复杂的电路让学生望而却步又偏离了大学物理实验的初衷。大连理工大学团队[3]采用Simulink仿真模型对SWPT系统进行测试，虽然能减少计算量，但是该仿真模型仍较为复杂，模型中隐含的物理量难以发觉，而且仿真并不能代表客观世界，这也不利于学生求是探索。因此，本文从装置图入手，通过探究互电容在单线输电和无线输电中的等效方式与同频耦合对输电效率的影响，在保证精度的前提下，对于输电模型进行了简化，有利于学生对实验的探索与学习。

1 实验基本原理

本实验研究的单线传输系统结构如图1[4]所示，用特斯拉线圈作为高频变压器。接通电源后，T1将高频电源输出的电能变换为较高电压的高频电能，T2将接收到的高频电能变换为较低电压的高频电能。T1和T2一端通过单根导引线连接，另一端分别与对应顶端导体连接。……