双谐振特斯拉线圈工作原理的疑问

在WeiXin_30617737的博文 特斯拉线圈的工作原理 中使用了动图和仿真的的曲线说明了双谐振特斯拉工作的过程。但对于其中原理的解释还是令人存在这疑问的。

特斯拉线圈原理

在原文中给出的特斯拉线圈的工作图以及对应的设备的组成结构图都非常清晰和形象。

^{▲ 双谐振特斯拉工作的原理图}

^{▲ 漂亮形象的特斯拉线圈的结构图}

特斯拉工作动图

原图中给出的动图展示了初级和次级线圈中间的能量交互过程也比较形象与自然。这个过程很容易让人们联想到一个小的打气筒给轮胎打气的过程，每一次打气筒给轮胎充进一小部分气体。经过多次循环之后便可使得轮胎充满高压气体了，这是只一个比喻。

^{▲ 特斯拉工作原理动图表示}

特斯拉变压器与普通变压器的区别

这其中对于特斯拉变压器与普通变压器的工作原理的不同，原文中指出了以下几个方面：

1. 普通变压器初级和次级线圈的耦合系数K接近于1左右，这样可以最大减少无用的漏磁所带来的额外的无用功率；而特斯拉线圈的耦合系数小于50%。比如在它的仿真实验中所使用的K只有14%左右。
2. 普通变压器不需要特定的工作频率；而特斯拉变压器则需要工作在初级和次级谐振的频率。特别是，需要初级线圈的谐振频率与次级高压线圈的谐振频率需要一致；
3. 普通变压器的初级和次级的之比为固定的值，它基本上与两个线圈的匝数之比成正比。而特斯拉变压器的初级电压与次级电压的比值是变化着的。

下面是原文给出的初级电压与次级电压的仿真后的电压变化曲线：

^{▲ 特斯拉变压器的初级电压与次级电压仿真波形图}

仿真参数为：

 L1=11uH,  C1=230nF;     L2=60mH, C2=42pF;
 主电容工作电压：V=10KV     耦合系数：K=0.14;
 谐振频率：f=100KHz;

文章中存在的疑问

原文的文字对于特斯拉线圈工作的原理也进行了形象的描述，对于科普大众来说比较清晰传达了基本的科学道理。但是对于专业工科人员来立即特斯拉线圈工作原理，不免收到普通变压器、互感器等工作特性的理解的束缚，所以就会对前面的叙述中产生一些疑问：

1. 第一个就是前面在仿真波形的时候，具体的仿真模型是如何搭建的，如何能够解释对应的能力在初级线圈与次级线圈之间的转换过程。
2. 如果能量能够在初级和次级之间完全转换。而且各自有工作在谐振状态下，那么两个线圈上的电容储能应该是一致的。根据仿真中的参数，C1=230nF; C2=42pF,之间相差5000倍（5476.2）左右。根据电容的储能与其电压的平方成正比，与容量成正比，那么两者之间的电压差别应该是：$\sqrt{5476}=74$倍左右。从图中的波形峰值来看，的确两者之间的电压相差是在74倍左右。这需要考虑到整个波形还在衰减的因素。
3. 那么问题所在就是两个线圈之间的能量转换过程，即经过几个周期完成能量转换？这与两者之间的耦合系数K是否有关系？

两者之间按照前面给定的实验参数：K= 0.14，那么1/K = 7.14。从原图中可以看到，大体上没经过7次振荡波形，能量就从初级到次级完成了一次的转换。