Катушка Тесла — электрический трансформатор, использующий высокочастотный переменный ток (AC) для повышения напряжения. Благодаря чрезвычайно высокому напряжению электричество в катушке Тесла может распространяться по воздуху, питая или повреждая находящиеся рядом электронные устройства, часто с дугами, похожими на молнии. Хотя катушка Тесла производит чрезвычайно высокое напряжение, высокая частота тока обычно позволяет большинству людей приближаться к устройству и даже поражаться дугами, не получая травм. Зрелищные эффекты, создаваемые катушкой Тесла, делают прибор популярным для научных выставок, но принципы, лежащие в основе катушки, также были важны для развития радиотехнологий.
Катушка Тесла была изобретена американским изобретателем сербского происхождения Николой Тесла в 1891 году. Теслу в первую очередь интересовал потенциал беспроводной передачи электроэнергии, особенно для освещения. Он надеялся построить большие катушки, разбросанные по всей Земле, каждая из которых обеспечивала бы энергией любое устройство с приемной катушкой. Однако этот план не увенчался успехом. В 1893 году Тесла прочитал лекцию и провел демонстрацию по беспроводной передаче, в которой предложил передавать сигналы в сочетании с передачей энергии. Он также получил патент, описывающий те же принципы, который считается первым патентом на радио.
Катушка Тесла — это электрический трансформатор, или устройство, повышающее или понижающее напряжение, которое является мерой электрического потенциала. Катушка Тесла генерирует очень высокое напряжение, часто превышающее миллион вольт. Она использует переменный ток, то есть напряжение в цепи изменяется с определенной частотой. Современная катушка Тесла обычно состоит из начального трансформатора, который повышает напряжение от источника питания и направляет его на конденсатор, прикрепленный к первичной обмотке, которая поглощает высокое напряжение. Когда напряжение на конденсаторе достигает достаточно высокого уровня, электричество протекает через искровой промежуток, или пространство между двумя высокопроводящими клеммами, с высокой частотой, создавая переменный ток в первичной обмотке.
Одним из ключевых принципов работы катушки Тесла является резонанс — достижение частоты, при которой первичная катушка устройства вызывает максимальное напряжение во вторичной катушке. Это достигается за счет магнитной связи, также называемой индуктивной связью. Две катушки не связаны между собой проводником; электричество пропускается через первичную катушку, которая создает магнитное поле. Это магнитное поле создает электрический ток во вторичной катушке, причем с гораздо более высоким напряжением. Чтобы добиться такого повышения напряжения, вторичная катушка должна иметь гораздо больше витков, чем первичная. Часто первичная катушка имеет всего один или два витка, в то время как вторичная может иметь сотни или тысячи витков. Вторичная обмотка также содержит конденсатор, который создает чрезвычайно высокое напряжение.
В результате высокого напряжения возникает настолько сильное магнитное поле, что дуги электричества, подобно молнии, летят от катушки Тесла к близлежащим объектам. Эти молниеподобные разряды могут попадать даже на людей, но обычно это опасно только в том случае, если у находящегося рядом человека есть кардиостимулятор или другое медицинское устройство, на которое может повлиять катушка Тесла. Хотя напряжение очень высокое, импеданс катушки достаточно высок, чтобы в людях, которые с ней взаимодействуют, возникал лишь небольшой ток, а частота тока такова, что он практически не взаимодействует с нервными клетками. Популярная демонстрация катушки Тесла заключается в том, что человек держит в одной руке металлический стержень, а в другой — лампочку. При поднесении стержня к катушке возникает электрическая дуга, которая проходит через тело человека и зажигает лампочку. Люминесцентные лампочки и другие устройства также могут питаться от близости к катушке Тесла, даже без образования дуги. Именно эта способность производить беспроводную энергию показалась Тесле столь привлекательной.