テスラコイル

テスラコイル（英語えいご: Tesla coil）は、高周波こうしゅうは・高こう電圧でんあつを発生はっせいさせる共振きょうしん変圧へんあつ器きである。ニコラ・テスラによって考案こうあんされた。

ニコラ・テスラによって考案こうあんされたものは、空そら芯しん式しき共振きょうしんコイルとスパークギャップを用もちい、二に次じコイルの共振きょうしんを利用りようして高周波こうしゅうは・高こう電圧でんあつを発生はっせいさせるものである。スパークギャップとコイル体たいからなり、コイル体たいは巻数かんすうの少すくない一いち次じコイルと多数たすう巻まき上あげた空そら心しんの二に次じコイル、そして放電ほうでん極きょくである容量ようりょう球だまから出来上できあがっている。容量ようりょう球だまの大小だいしょうにより二に次じコイルの共振きょうしん周波数しゅうはすうを調整ちょうせいする。浮遊ふゆう容量ようりょうによる影響えいきょうが大おおきく、強力きょうりょくな放電ほうでんをさせようとした場合ばあいの再現さいげん性せいが悪わるいことから不明ふめいな点てんの多おおいコイルとされる。テスラコイルの改良かいりょう型がたとして、半導体はんどうたい駆動くどう回路かいろを使用しようしたSSTC（Solid State Tesla Coil）や共振きょうしんコイルを別べつに設もうけて昇圧しょうあつするマグニファイヤーなどがある。

テスラコイルの高こう圧あつ発生はっせい原理げんり[編集へんしゅう]

二に次じコイル上じょうに発生はっせいする進行しんこう波は[編集へんしゅう]

テスラコイルにおいては二に次じコイルの巻まき線せん間あいだに発生はっせいする寄生きせい容量ようりょうと二に次じコイルのインダクタンスとが分布ぶんぷ定数ていすう状じょうになっているために遅延ちえん回路かいろが形成けいせいされている。このためスパークギャップ式しきにおいては二に次じコイル上じょうに多おおくの定てい在ざい波なみが混在こんざいしている。これは、二に次じコイルの一いち次じコイル近傍きんぼう部ぶ（結合けつごう部ぶ）から放電ほうでん極ごく（放電ほうでん球だま）に向むかって時間じかん遅おくれを伴ともなう進行しんこう波はが存在そんざいするためであり、この進行しんこう波はが放電ほうでん極きょくと結合けつごう部ぶとの間あいだで反射はんしゃを繰くり返かえして共振きょうしんする。この共振きょうしんモードは1/4λらむだの共振きょうしんモードを基本きほんとして多数たすう存在そんざいするのでテスラコイルの二に次じコイルには多数たすうの定てい在ざい波なみ(1'，2'，3'，…)が混在こんざいした状態じょうたいとなっている。また一いち次じコイルと二に次じコイルとの間あいだの結合けつごうは疎うと結合けつごうであるが、二に次じ側がわ容量ようりょう成分せいぶんと共振きょうしんさせることで密みつな結合けつごう(磁界じかい調ちょう相しょう結合けつごう)が働はたらいている。この磁界じかい調ちょう相しょう結合けつごうは1'，2'，3'，…の周波数しゅうはすうで発生はっせいする。SSTCにおいては1'の周波数しゅうはすう(1/4λらむだの共振きょうしんモード)で駆動くどうすることにより効率こうりつ的てきで強力きょうりょくな放電ほうでんが得えられる。

共振きょうしん変圧へんあつ器きの原理げんりに基もとづく昇圧しょうあつ[編集へんしゅう]

大おおきな巻まき線せん比ひ（変成へんせい比ひ）のトランスによって高こう電圧でんあつを得えようとした場合ばあい、一いち次じ-二に次じコイル間あいだの絶縁ぜつえんの都合つごう上じょう、また、コイルの構造こうぞう上じょう、結合けつごう係数けいすうは低ひくくならざるを得えない。そのため、一般いっぱんに一いち次じコイルと二に次じコイルとに鎖くさり交かわする相互そうご磁束じそく(主しゅ磁束じそく)を形成けいせいすることが困難こんなんで、漏もれインダクタンスが大おおきくなるとともに相互そうごインダクタンスが小ちいさくなり過すぎて電力でんりょくの伝達でんたつが悪わるくなる。一方いっぽう、トランスの二に次じコイルに電流でんりゅうが流ながれるとそれによって磁界じかいが発生はっせいするが、二に次じ側がわの系けいが共振きょうしん状態じょうたいにあるときは、二に次じコイルには反はん共振きょうしん（並列へいれつ共振きょうしん 1）と共振きょうしん（直列ちょくれつ共振きょうしん 1'）が対たいになって現あらわれる。このうちの共振きょうしん周波数しゅうはすう（直列ちょくれつ共振きょうしん周波数しゅうはすう 1'）で一いち次じコイルを駆動くどうすると一いち次じ側がわ回路かいろ側がわの誘導ゆうどう性せいインピーダンスが激減げきげんし、二に次じコイルの共振きょうしん電流でんりゅうが発生はっせいする磁界じかいと一いち次じコイルが発生はっせいする磁束じそくの磁界じかいの位相いそうが同期どうきして磁界じかい調ちょう相しょうの状態じょうたいになる。これは一いち次じコイルの発生はっせいする磁束じそくが二に次じコイルに引ひき込こまれて一いち次じ-二に次じ間あいだに非常ひじょうに強つよい結合けつごうが生しょうじる現象げんしょうであり、この状態じょうたいになると相互そうご磁束じそく(主しゅ磁束じそく)が大幅おおはばに増加ぞうかし、鉄心てっしんなどにより磁束じそくを閉とじ込こめる工夫くふうをすること無なく高たかい結合けつごう効果こうかを得えることが出来できる^[1]。すなわち一いち次じコイルに与あたえる電圧でんあつの周波数しゅうはすうが二に次じ側がわ系けいの共振きょうしん周波数しゅうはすうであれば、本来ほんらいトランスは単たんに一いち次じ、二に次じのコイルを適当てきとうに近ちかくに設置せっちした程度ていどの状態じょうたいでも効率こうりつよく電力でんりょくが伝達でんたつできる。また、短絡たんらくインダクタンスL_sと二に次じ側がわ浮遊ふゆう容量ようりょうC_sとの共振きょうしんで起おきる磁界じかい調ちょう相しょう結合けつごうによって昇圧しょうあつ効果こうかも期待きたいできる。テスラコイルでは一いち次じ側がわに与あたえるこの共振きょうしん周波数しゅうはすうの交流こうりゅう電圧でんあつを得えるために回転かいてん型がたGapを用もちいる^[2]。この回転かいてん型がたGapによって火花ひばな放電ほうでんのインパルス電流でんりゅうを発生はっせいさせ、広帯域こうたいいきの交流こうりゅうを共振きょうしん回路かいろに与あたえて振動しんどうさせている。また、回転かいてん型がたGapの回転かいてん数すうを調整ちょうせいすることにより一いち次じコイルに与あたえる周波数しゅうはすうの調整ちょうせいを実現じつげんしている。

尚なお、テスラコイルでは共振きょうしん要素ようその相当そうとう部分ぶぶんが浮遊ふゆう容量ようりょうなので共振きょうしん周波数しゅうはすうが不安定ふあんていであり、設置せっち状じょう況きょうなどにより周波数しゅうはすうを調整ちょうせいする必要ひつようがある。この欠点けってんを克服こくふくするため、SSTCでは二に次じコイルのGND側がわに発生はっせいするコイル電流でんりゅうの位相いそうをもとに一いち次じコイルを駆動くどうする方法ほうほう(電流でんりゅう共振きょうしん駆動くどう)を行おこなって放電ほうでん効果こうかを安定あんてい化かさせている^[3]^[4]^[5]。

解析かいせき[編集へんしゅう]

テスラコイルにおいては進行しんこう波はと共振きょうしん変圧へんあつ器きの原理げんりの両方りょうほうが働はたらいていると考かんがえられるが、二に次じコイルの分布ぶんぷ定数ていすう性せいまでを考慮こうりょして扱あつかうことが困難こんなんな場合ばあい、これを集中しゅうちゅう定数ていすうとして扱あつかって^[6]もほぼ近ちかい解かいが得えられる。

テスラコイルに関かんする情報じょうほうおよび写真しゃしん[編集へんしゅう]

Bill Beaty による Nikola Tesla Page, Tesla Coils に多おおくのリンクおよび写真しゃしんが紹介しょうかいされている。
NIC.FUNET.FI - こちらも多おおくのテスラコイルの写真しゃしん・動画どうがなど公開こうかいされている。
NIC.FUNET.FI - 上うえと内容ないようは同おなじだが、こちらはFTPである。

テスラコイルの応用おうよう[編集へんしゅう]

教材きょうざいとして火花ひばな放電ほうでん（コロナ放電ほうでん）の観察かんさつに用もちいられることがある。
現在げんざいでも蛍光けいこう管かんの出荷しゅっか検査けんさの際さいに検査けんさ装置そうちとして利用りようされる。
HIDランプ（CDM, HIQ）の点灯てんとう（起動きどう）回路かいろ（イグナイター）に応用おうようされている。
液晶えきしょうバックライトに使つかわれている冷ひや陰極いんきょく管かんを点灯てんとうさせるために用もちいられる冷ひや陰極いんきょく管かんインバーターの変圧へんあつ器きはフェライト・コアを用もちいて小型こがた化かを実現じつげんしたテスラコイルである^[7]。
一いち次じコイルと二に次じコイル間あいだの結合けつごうが低ひくいにもかかわらず、高たかい効率こうりつで二に次じコイルに電力でんりょくが伝送でんそうされる原理げんりは二に次じコイルの高たかい共振きょうしんQ値ねに関係かんけいしているとされており、電磁でんじ界かい共鳴きょうめい方式ほうしきのワイヤレス電力でんりょく伝送でんそうの開発かいはつ者しゃであるマリン・ソーリャチッチ(Marin Soljačić)やその他たの開発かいはつ者しゃらに多おおくのヒントを与あたえているところから、ワイヤレス電力でんりょく伝送でんそうもテスラコイルの原理げんりの一ひとつの応用おうようであると考かんがえても良よい。
また、テスラコイルの出力しゅつりょくを改造かいぞうし楽器がっきとして用もちいられることもあり、2006年ねんよりアメリカのパフォーマンスグループであるArc Attackが「Singing Teslacoil」として披露ひろうしている。以降いこう、放電ほうでん音おんを利用りようして楽曲がっきょくを演奏えんそうする人々ひとびとも多おおく存在そんざいする^[8]^[9]^[10]。楽器がっきとなったテスラコイルは「ミュージカル・テスラコイル」としてZeusaphone社しゃより販売はんばいされており^[11]、2009年ねんよりミュージシャンである平沢ひらさわ進すすむが楽曲がっきょく演奏えんそうに取とり入いれ^[12]、2011年ねんにはミュージシャンであるBjorkが自身じしんの楽曲がっきょく「Thunderbolt」でミュージカル・テスラコイルを取とり入いれている。

疑似ぎじ科学かがくとの関係かんけい[編集へんしゅう]

テスラコイルは「UFOの原動力げんどうりょくとして使つかわれている」等とう、疑似ぎじ科学かがくの文脈ぶんみゃくで頻出ひんしゅつする。これは、テスラコイルの作者さくしゃであるニコラ・テスラが「宇宙うちゅう人じんと交信こうしんしている」等とうの怪かい発言はつげんを数多かずおおく残のこしている事ことが原因げんいんだと思おもわれる。

「フィラデルフィア計画けいかく」および「ハチソン効果こうか」も参照さんしょう

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

^ ただし、結合けつごう係数けいすうの定義ていぎ上じょう、結合けつごう係数けいすうが高たかくなったわけではない。結合けつごう係数けいすうは系けいが共振きょうしんしているか否ひかにかかわらずコイル間あいだの位置いち関係かんけいによって決きまる数値すうちである。
^ 現在げんざいの技術ぎじゅつでは半導体はんどうたいに置おき換かえることも可能かのうである。
^ 電流でんりゅう共振きょうしん駆動くどうの回路かいろ例れい
^ Class E SSTC
^ halfbridge sstc: 30cm/12" sparks
^ 1と1'の周波数しゅうはすうのみを考慮こうりょして解析かいせきする[1]。
^ フェライト・コアを用もちいているため、空そら心しんのコイルであるという定義ていぎと矛盾むじゅんするが、これもテスラコイル原理げんりの応おう用品ようひんであると考かんがえられる。
^ コンタケ (2017年ねん5月がつ11日にち). “テスラコイルの放電ほうでん音おんで演奏えんそうする「セルリアンのテーマ」に驚おどろきの声こえ　これがセンボルトペンギンか……”. ねとらぼ 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。
^ “米津よねつ玄げん師しの『LOSER』を“放電ほうでんで”演奏えんそうしてみた。雷かみなりの刻きざむビートのカッコよさに「キレイ」「平沢ひらさわ進すすむじゃん」と痺しびれる人ひと続出ぞくしゅつ！”. ニコニコニュースオリジナル. (2019年ねん6月がつ22日にち). https://originalnews.nico/194189 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。
^ Andrew Liszewski (2021年ねん4月がつ6日にち). “巨大きょだいなテスラコイルでダフト・パンク演奏えんそうしてみた”. GIZMODE 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。
^ “Zeusaphone Musical Tesla Coils | World Class High Performance Tesla Coils. Buy Musical Tesla Coils” (英語えいご). 2024年ねん3月がつ23日にち閲覧えつらん。
^ “PHONON 2551 VISION | 平沢ひらさわ進すすむ公式こうしきサイト / Susumu Hirasawa Official Site”. susumuhirasawa.com. 2022年ねん10月がつ28日にち閲覧えつらん。
^ History of Wireless By Tapan K. Sarkar, et al. ISBN 0471783013
^ A Multifrequency electro-magnetic field generator that is capable of generating electro-magnetic radial fields, horizontal fields and spiral flux fields that are projected at a distance from the device and collected at the far end of the device by an antenna.

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]

調しらべ相しょう結合けつごうトランスとは何なにか

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[1] ただし、結合けつごう係数けいすうの定義ていぎ上じょう、結合けつごう係数けいすうが高たかくなったわけではない。結合けつごう係数けいすうは系けいが共振きょうしんしているか否ひかにかかわらずコイル間あいだの位置いち関係かんけいによって決きまる数値すうちである。

[2] 現在げんざいの技術ぎじゅつでは半導体はんどうたいに置おき換かえることも可能かのうである。

[3] 電流でんりゅう共振きょうしん駆動くどうの回路かいろ例れい

[4] Class E SSTC

[5] ridge sstc: 30cm/12" sparks

[6] 1と1'の周波数しゅうはすうのみを考慮こうりょして解析かいせきする[1]。

[7] フェライト・コアを用もちいているため、空そら心しんのコイルであるという定義ていぎと矛盾むじゅんするが、これもテスラコイル原理げんりの応おう用品ようひんであると考かんがえられる。

[8] コンタケ (2017年ねん5月がつ11日にち). “テスラコイルの放電ほうでん音おんで演奏えんそうする「セルリアンのテーマ」に驚おどろきの声こえ　これがセンボルトペンギンか……”. ねとらぼ 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。

[9] “米津よねつ玄げん師しの『LOSER』を“放電ほうでんで”演奏えんそうしてみた。雷かみなりの刻きざむビートのカッコよさに「キレイ」「平沢ひらさわ進すすむじゃん」と痺しびれる人ひと続出ぞくしゅつ！”. ニコニコニュースオリジナル. (2019年ねん6月がつ22日にち). https://originalnews.nico/194189 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。

[10] Andrew Liszewski (2021年ねん4月がつ6日にち). “巨大きょだいなテスラコイルでダフト・パンク演奏えんそうしてみた”. GIZMODE 2021年ねん8月がつ23日にち閲覧えつらん。

[11] “Zeusaphone Musical Tesla Coils | World Class High Performance Tesla Coils. Buy Musical Tesla Coils” (英語えいご). 2024年ねん3月がつ23日にち閲覧えつらん。

[12] “PHONON 2551 VISION | 平沢ひらさわ進すすむ公式こうしきサイト / Susumu Hirasawa Official Site”. susumuhirasawa.com. 2022年ねん10月がつ28日にち閲覧えつらん。

[13] History of Wireless By Tapan K. Sarkar, et al. ISBN 0471783013

[14] A Multifrequency electro-magnetic field generator that is capable of generating electro-magnetic radial fields, horizontal fields and spiral flux fields that are projected at a distance from the device and collected at the far end of the device by an antenna.

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