Điện không dây hoạt động thế nào?

Nikola Tesla luôn mơ ước có thể cung cấp điện đi khắp thế giới mà không cần phải kéo dây. Cuối cùng, nhà sáng chế này cũng tới gần được mơ ước, khi những thử nghiệm của ông đã cho ra đời "cuộn Tesla" (Tesla coil).

Là hệ thống đầu tiên có thể truyền tải điện không dây, cuộn Tesla thực sự là một phát minh mang tính cách mạng. Tesla đã phát triển những cuộn dây đặc biệt này vào năm 1891, trước khi người ta sử dụng những chiếc máy biến áp truyền thống để cung cấp điện cho mọi thứ như hệ thống chiếu sáng đến các mạch điện thoại. Nhưng những chiếc máy biến áp này không thể chịu được tần số và dòng điện cao như cuộn Tesla. Ý tưởng đằng sau cuộn dây này thực sự khá đơn giản, đó là tận dụng lực điện từ và cộng hưởng. Sử dụng dây đồng và các chai thủy tinh, một thợ điện nghiệp dư cũng có thể làm ra một cuộn dây Tesla có thể sản xuất được ¼ triệu volt điện.

Cấu tạo của cuộn Tesla

Cấu tạo của cuộn Tesla bao gồm 2 phần: một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp. Mỗi cuộn dây đều có tụ điện riêng.

Một cuộn Tesla bao gồm 2 phần: một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp, mỗi dây đều có tụ điện riêng (tụ điện lưu trữ năng lượng điện giống như pin). Hai cuộn dây và các tụ điện được nối với nhau bằng một khe đánh lửa – chính là khoảng cách không khí giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện. Về cơ bản, cuộn dây Tesla là hai mạch điện hở kết nối với một khe đánh lửa.

Cuộn Tesla cần một nguồn điện cao áp. Nguồn điện thông thường đi qua một biến áp có thể sản xuất ra dòng điện với cường độ cần thiết (ít nhất là hàng ngàn vôn). Trong trường hợp này, máy biến áp có thể chuyển đổi điện áp thấp của mạch điện chính thành điện áp cao.

Cuộn Tesla hoạt động như thế nào?

Nguồn điện được nối với cuộn sơ cấp. Tụ điện của cuộn dây sơ cấp hoạt động như một miếng bọt biển thấm hút các điện tích. Cuộn dây sơ cấp phải có khả năng chịu đựng điện tích rất lớn và nhiều sóng điện, vì thế cuộn dây này thường được làm bằng đồng, loại dây dẫn điện rất tốt. Cuối cùng, tụ điện tích tụ được nhiều điện tích đến nỗi nó phá vỡ mức kháng cự không khí trong khe đánh lửa. Sau đó, tương tự như việc ép một miếng bọt biển ướt, dòng điện đi ra khỏi tụ điện xuống cuộn dây sơ cấp và tạo ra từ trường.

Một khối năng lượng lớn khiến từ trường sụt nhanh chóng, tạo ra một dòng điện trong cuộn thứ cấp. Điện áp nén qua không khí giữa hai cuộn dây tạo ra tia lửa ở khe đánh lửa. Năng lượng bao phủ giữa hai cuộn dây, tích tụ trong các cuộn dây thứ cấp và tụ điện. Cuối cùng, điện tích trong tụ điện thứ cấp lên cao đến mức nó đã thoát ra dưới dạng hồ quang điện.

Điện áp tần số cao có thể thắp sáng các bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.

Trong một cuộn dây Tesla được thiết kế hoàn hảo, khi cuộn dây thứ cấp đạt mức điện tích tối đa, toàn bộ quá trình sẽ bắt đầu lại và thiết bị sẽ có khả năng tự duy trì. Tuy nhiên trong thực tế, điều này không xảy ra. Không khí bị đốt nóng ở khe đánh lửa sẽ kéo một số lượng điện từ các cuộn dây thứ cấp và quay trở lại khe đánh lửa, vì vậy cuối cùng cuộn dây Tesla sẽ hết năng lượng. Đây là lý do tại sao các cuộn dây phải được nối với một nguồn cung cấp điện bên ngoài.

Nguyên tắc cơ bản đằng sau cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng sẽ xảy ra khi cuộn dây sơ cấp bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp.

Sản xuất một cuộn dây Tesla với khe đánh lửa giúp chúng ta có thể kiểm soát tốt hơn điện áp của dòng điện mà nó tạo ra. Mặc dù cuộn dây Tesla (Tesla coil) không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách chúng ta hiểu và sử dụng điện. Ngày nay, radio và TV vẫn sử dụng các dạng khác nhau của cuộn Tesla.