基于特斯拉线圈对高压电技术教学的项目研究

进入21世纪以来，随着我国社会和经济的快速发展，电力系统覆盖面积越来越广，对电能的大规模远距离传输的需求也越来越多，在促进社会发展和方便人们生活的同时，也带来了许多高电压相关的技术问题。《高电压技术》是重庆科技学院电气工程及其自动化本科生需要选修的一门专业课程，同时也是电力专业从业人员需要掌握的专业知识。该课程对于学生夯实专业知识，提高就业竞争力，增强实践能力具有十分重要的意义。

1 课程教学特点及现状

《高电压技术》主要包括电介质绝缘电气特性、高电压试验的方法和检测方法、电气设备绝缘配合等内容。其涉及到多门电气专业基础课程知识，具有体系深，覆盖知识面广的特点。同时，该课程也是一门实践性极强的工程技术学科。但作为本校电气专业的选修课程，授课学时少，授课形式也较为单一。因此，对于大多数学生而言，该课程理论性较强，内容抽象，学习热情难以被激发，并在主观上无法对该课程高度重视。针对以上难题，提出通过制作实物课堂演示进行教学来帮助学生理解相关知识，提高学生课堂积极性和参与度。

2 基于特斯拉线圈的实物演示课堂教学

2.1 特斯拉线圈原理

特斯拉线圈工作原理如图1所示。其放电过程主要可分为三个阶段：首先接入电源，电流经过变压器升压并给电容充电，其工作电路如图2所示；其次，打火器点火击穿空气形成初级回路，产生LC振荡并向次级线圈传递能量，其工作电路如图3所示；最后，在次级回路中放电顶端电压达到阈值形成闪电，其工作电路如图4所示。

图1 特斯拉线圈工作原理

(1)升压区：交流电压经过升压变压器升压后，再经整流桥转换成直流电压给电容C1充电，电容两极板的电势差逐渐增大，使得与其并联的打火器两端电压增大，当电容两极的电压增大到打火器击穿电压的阀值时，打火器间隙被击穿，初级回路导通。如图3所示。

(2)振荡区：初级回路中的电容C1和初级线圈L1构成一个LC振荡回路。此时由于LC振荡，初级电路中的能量会在电容C1和初级线圈L1之间反复转换。又由于初级线圈与次级线圈耦合，此时次级线圈中会产生感生电动势。如图4所示。

(3)放电区：在次级线圈产生高电压后，由于次级回路LC振荡，次级回路中的电荷会不断流向放电顶端，放电顶端电压不断升高，当放电顶端的电压达到一定值时，放电顶端会放出高压电弧。

2.2 基于特斯拉线圈的教学实施

2.2.1 课前预习

在课堂向学生展示并介绍演示要用到的火花间隙特斯拉线圈，其实物如图5所示，让学生自行观察并结合课本中冲击放电实验和气体放电部分的知识内容，了解特斯拉线圈各部分组成及其功能，大致熟悉特斯拉线圈工作原理及其过程。

2.2.2 课堂演示

图2 升压电路示意图

图3 震荡电路示意图

图4 放电电路示意图

图5 特斯拉线圈实物图

图6 特斯拉线圈放电图

接通电源，电流先经过整流再到变压器升压，电容开始充电，充电完成后打火器两端空气被击穿。此时，会伴随“啪啪”的噪音，同时，放电顶端周围空气将被电离，直至顶端放置的不锈钢金属球周围产生电弧，其放电图如图6所示，该电弧与微型闪电相似，学生可近距离明显观察现象。与此同时，教师可现场结合教学内容对该现象作进一步阐述，组织学生答疑，加深学生对相关知识的理解。

2.2.3 课后拓展

观察完特斯拉线圈放电现象后，教师可让学生课后自行讨论并查阅相关资料了解特斯拉线圈的历史与适用范围等，有兴趣的学生可以思考特斯拉线圈的创新应用等，提高个人动手能力，培养科学创新思维。

2.3 教学实物效果及展望

将实物演示引入教学环节，将抽象的放电理论具体化，对于学生掌握课堂内容并养成乐于探究，热爱科学的学习精神有较大的促进作用；该装置成套原材料平均成本仅为200元左右，远低于市场成品价格。此外，该装置经久耐用，不易损坏，预期使用可达5年以上；同时，该装置具有良好的教学效益：除了课堂演示之外，通过了解设备的材料、安装及原理也能使学生积极融入教学实践。对于该教具在学校的投入使用，具有很好的应用前景。该装置可大面积用于课堂演示及实验教学。

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