Das Tesla-Spule Es ist eine Wicklung, die als Hochspannungs- und Hochfrequenzgenerator arbeitet. Es wurde von dem Physiker Nikola Tesla (1856 - 1943) erfunden, der es 1891 patentierte.
Die magnetische Induktion ließ Tesla über die Möglichkeit nachdenken, elektrische Energie ohne das Eingreifen von Leitern zu übertragen. Die Idee des Wissenschaftlers und Erfinders war es daher, ein Gerät zu entwickeln, das dazu dient, Elektrizität ohne Verwendung von Kabeln zu übertragen. Die Verwendung dieser Maschine ist jedoch sehr ineffizient, so dass sie kurz darauf zu diesem Zweck aufgegeben wurde..
Trotzdem können Tesla-Spulen mit einigen spezifischen Anwendungen gefunden werden, beispielsweise in Pylonen oder in physikalischen Experimenten..
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Die Spule wurde von Tesla kurz nach dem Auftauchen von Hertz 'Experimenten hergestellt. Tesla selbst nannte es "Gerät zur Übertragung elektrischer Energie". Tesla wollte beweisen, dass Elektrizität drahtlos übertragen werden kann.
In seinem Labor in Colorado Springs verfügte Tesla über eine riesige 16-Meter-Spule, die an einer Antenne befestigt war. Das Gerät wurde verwendet, um Energieübertragungsexperimente durchzuführen.
Einmal gab es einen durch diese Spule verursachten Unfall, bei dem Dynamos aus einer 10 Kilometer entfernten Anlage verbrannt wurden. Infolge des Versagens wurden Lichtbögen um die Wicklungen der Dynamos erzeugt.
Nichts davon entmutigte Tesla, der weiterhin mit zahlreichen Spulendesigns experimentierte, die heute seinen Namen tragen..
Die berühmte Tesla-Spule ist eines von vielen Designs, die Nikola Tesla entwickelt hat, um Elektrizität ohne Kabel zu übertragen. Die Originalversionen waren groß und verwendeten Hochspannungs- und Hochstromquellen..
Natürlich gibt es heute viel kleinere, kompaktere und hausgemachte Designs, die wir im nächsten Abschnitt beschreiben und erklären werden..
Ein Design, das auf den Originalversionen der Tesla-Spule basiert, ist das in der obigen Abbildung gezeigte. Das elektrische Diagramm in der vorherigen Abbildung kann in drei Abschnitte unterteilt werden.
Die Quelle besteht aus einem Wechselstromgenerator und einem Transformator mit hoher Verstärkung. Der Quellenausgang liegt typischerweise zwischen 10.000 V und 30.000 V..
Es besteht aus einem Schalter S, der als "Funkenstrecke" oder "Explosor" bekannt ist und den Stromkreis schließt, wenn ein Funke zwischen seine Enden springt. Die LC-Schaltung 1 hat auch einen Kondensator C1 und eine in Reihe geschaltete Spule L1..
Die LC-Schaltung 2 besteht aus einer Spule L2 mit einem Windungsverhältnis von ungefähr 100 zu 1 relativ zur Spule L1 und einem Kondensator C2. Der Kondensator C2 ist über Masse mit der Spule L2 verbunden.
Die L2-Spule ist normalerweise ein Draht, der mit einem isolierenden Email auf ein Rohr gewickelt ist, das aus nicht leitendem Material wie Keramik, Glas oder Kunststoff besteht. Die Spule L1 ist, obwohl sie im Diagramm nicht so gezeigt ist, auf die Spule L2 gewickelt.
Der Kondensator C2 besteht wie alle Kondensatoren aus zwei Metallplatten. Bei Tesla-Spulen hat eine der C2-Platten normalerweise die Form einer kugelförmigen oder torusförmigen Kuppel und ist in Reihe mit der L2-Spule geschaltet..
Die andere Platine von C2 ist die nahe Umgebung, zum Beispiel ein Metallsockel, der in einer Kugel ausgeführt und mit Masse verbunden ist, um den Stromkreis mit dem anderen Ende von L2 zu schließen, das ebenfalls mit Masse verbunden ist.
Wenn eine Tesla-Spule eingeschaltet ist, lädt die Hochspannungsquelle den Kondensator C1 auf. Wenn diese eine ausreichend hohe Spannung erreicht, springt ein Funke in den Schalter S (Funkenstrecke oder Explosor) und schließt den Resonanzkreis I..
Dann entlädt sich der Kondensator C1 durch die Spule L1 und erzeugt ein variables Magnetfeld. Dieses variable Magnetfeld geht auch durch die Spule L2 und induziert eine elektromotorische Kraft auf die Spule L2..
Da L2 etwa 100 Windungen länger als L1 ist, ist die elektrische Spannung an L2 100-mal höher als die an L1. Und da in L1 die Spannung in der Größenordnung von 10 Tausend Volt liegt, beträgt sie in L2 1 Million Volt.
Die in L2 akkumulierte magnetische Energie wird als elektrische Energie an den Kondensator C2 übertragen, der bei Erreichen maximaler Spannungswerte in der Größenordnung von einer Million Volt die Luft ionisiert, einen Funken erzeugt und abrupt über den Boden entladen wird. Entladungen treten zwischen 100 und 150 Mal pro Sekunde auf.
Die LC1-Schaltung wird als Resonanz bezeichnet, da die im Kondensator C1 akkumulierte Energie zur Spule L1 und umgekehrt gelangt; das heißt, es tritt eine Schwingung auf.
Gleiches gilt für den Resonanzkreis LC2, bei dem die magnetische Energie der Spule L2 als elektrische Energie auf den Kondensator C2 und umgekehrt übertragen wird. Das heißt, dass in der Schaltung ein alternativer Umlaufstrom erzeugt wird.
Die Eigenschwingungsfrequenz in einer LC-Schaltung beträgt
Wenn die Energie, die den LC-Schaltkreisen zugeführt wird, mit derselben Frequenz wie die Eigenschwingungsfrequenz des Schaltkreises auftritt, ist die Energieübertragung optimal und erzeugt eine maximale Verstärkung des Stroms des Schaltkreises. Dieses allen oszillierenden Systemen gemeinsame Phänomen ist bekannt als Resonanz.
Die LC1- und LC2-Schaltungen sind magnetisch gekoppelt, ein weiteres Phänomen, das als bezeichnet wird gegenseitige Induktion.
Damit die Energieübertragung von der LC1-Schaltung zur LC2 und umgekehrt optimal ist, müssen die Eigenschwingungsfrequenzen beider Schaltungen übereinstimmen, und sie sollten auch mit der Frequenz der Hochspannungsquelle übereinstimmen.
Dies wird erreicht, indem die Kapazitäts- und Induktivitätswerte in beiden Schaltkreisen so eingestellt werden, dass die Schwingungsfrequenzen mit der Quellfrequenz übereinstimmen:
In diesem Fall wird die Leistung von der Quelle effizient auf die LC1-Schaltung und von LC1 auf LC2 übertragen. In jedem Schwingungszyklus nimmt die in jedem Stromkreis akkumulierte elektrische und magnetische Energie zu..
Wenn die elektrische Spannung an C2 hoch genug ist, wird Energie in Form eines Blitzes freigesetzt, indem C2 nach Masse entladen wird..
Teslas ursprüngliche Idee bei seinen Experimenten mit diesen Spulen war es immer, einen Weg zu finden, elektrische Energie über große Entfernungen ohne Verkabelung zu übertragen..
Der geringe Wirkungsgrad dieses Verfahrens aufgrund von Energieverlusten durch Dispersion durch die Umgebung machte es jedoch erforderlich, nach anderen Mitteln zur Übertragung elektrischer Energie zu suchen. Noch heute wird die Verkabelung verwendet.
Viele der ursprünglichen Ideen von Nikola Tesla sind jedoch in den heutigen drahtgebundenen Übertragungssystemen noch vorhanden. Beispielsweise wurden von Tesla Aufwärtstransformatoren in Umspannwerken für die Übertragung über Kabel mit geringeren Verlusten und Abwärtstransformatoren für die Heimverteilung entwickelt.
Obwohl Tesla-Spulen nicht in großem Maßstab eingesetzt werden, sind sie in der Hochspannungselektrikindustrie weiterhin nützlich, um Isoliersysteme, Türme und andere elektrische Geräte zu testen, die sicher funktionieren müssen. Sie werden auch in verschiedenen Shows verwendet, um Blitze und Funken zu erzeugen, sowie in einigen physikalischen Experimenten..
Bei Hochspannungsexperimenten mit großen Tesla-Spulen ist es wichtig, Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Ein Beispiel ist die Verwendung von Faradayschen Käfigen zum Schutz von Beobachtern und Metallgitteranzügen für Darsteller, die mit diesen Rollen an Shows teilnehmen..
In dieser Miniaturversion der Tesla-Spule wird keine Hochspannungs-Wechselstromquelle verwendet. Im Gegenteil, die Energiequelle ist eine 9-V-Batterie, wie in der Abbildung in Abbildung 3 dargestellt.
Der andere Unterschied zur ursprünglichen Tesla-Version ist die Verwendung eines Transistors. In unserem Fall ist es der 2222A, ein NPN-Transistor mit niedrigem Signal, aber schnellem Ansprechverhalten oder hoher Frequenz..
Die Schaltung hat auch einen Schalter S, eine Primärspule L1 mit 3 Windungen und eine Sekundärspule L2 mit mindestens 275 Windungen, kann aber auch zwischen 300 und 400 Windungen liegen.
Die Primärspule kann mit einem gemeinsamen Draht mit Kunststoffisolierung gebaut werden, die Sekundärspule erfordert jedoch einen dünnen Draht, der mit Isolierlack bedeckt ist, wie er normalerweise in Wicklungen verwendet wird. Das Aufwickeln kann auf einem Karton oder Kunststoffrohr mit einem Durchmesser zwischen 3 und 4 cm erfolgen.
Es sei daran erinnert, dass es zur Zeit von Nikola Tesla keine Transistoren gab. In diesem Fall ersetzt der Transistor die "Funkenstrecke" oder den "Explosor" der Originalversion. Der Transistor wird als Gate verwendet, das den Stromdurchgang zulässt oder nicht zulässt. Dafür ist der Transistor wie folgt polarisiert: der Kollektor c zum Pluspol und zum Emitter und an den Minuspol der Batterie.
Wenn die Basis b hat eine positive Polarisation, dann ermöglicht es den Durchgang von Strom vom Kollektor zum Emitter und verhindert ihn ansonsten.
In unserem Schema ist die Basis mit dem Pluspol der Batterie verbunden, aber ein 22-Kilo-Ohm-Widerstand ist eingefügt, um den überschüssigen Strom zu begrenzen, der den Transistor verbrennen kann.
Die Schaltung zeigt auch eine LED-Diode, die rot sein kann. Seine Funktion wird später erklärt..
Am freien Ende der Sekundärspule L2 befindet sich eine kleine Metallkugel, die durch Abdecken einer Polystyrolkugel oder einer Stift-Pong-Kugel mit Aluminiumfolie hergestellt werden kann..
Diese Kugel ist die Platte eines Kondensators C, die andere Platte ist die Umgebung. Dies ist die sogenannte parasitäre Kapazität.
Wenn der Schalter S geschlossen ist, ist die Basis des Transistors positiv vorgespannt, und das obere Ende der Primärspule ist ebenfalls positiv vorgespannt. Es tritt also abrupt ein Strom auf, der durch die Primärspule fließt, durch den Kollektor fließt, durch den Emitter austritt und zum Stapel zurückkehrt..
Dieser Strom wächst in kürzester Zeit von Null auf einen Maximalwert, weshalb er in der Sekundärspule eine elektromotorische Kraft induziert. Dies erzeugt einen Strom, der von der Unterseite der L2-Spule zur Basis des Transistors fließt. Dieser Strom beendet abrupt die positive Polarisation der Basis, so dass der Stromfluss durch die Primärwicklung stoppt..
In einigen Versionen wird die LED-Diode entfernt und die Schaltung funktioniert. Das Platzieren verbessert jedoch die Effizienz beim Schneiden der Vorspannung der Transistorbasis..
Während des Zyklus des schnellen Stromwachstums im Primärkreis wurde eine elektromotorische Kraft in der Sekundärspule induziert. Da das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung 3 zu 275 beträgt, hat das freie Ende der Spule L2 eine Spannung von 825 V in Bezug auf Masse.
Aufgrund des Obigen wird in der Kugel des Kondensators C ein intensives elektrisches Feld erzeugt, das in der Lage ist, das Gas bei niedrigem Druck einer Neonröhre oder einer Leuchtstofflampe, die sich der Kugel C nähert, zu ionisieren und die freien Elektronen innerhalb der Röhre zu beschleunigen regen die Atome an, die die Lichtemission erzeugen.
Wenn der Strom durch die Spule L1 abrupt abbricht und die Spule L2 durch die Luft, die C umgibt, in Richtung Boden entladen wird, wird der Zyklus neu gestartet.
Der wichtige Punkt bei dieser Art von Schaltung ist, dass alles in sehr kurzer Zeit passiert, so dass Sie einen Hochfrequenzoszillator haben. Bei dieser Art von Schaltung ist das vom Transistor erzeugte Swishing oder die schnelle Schwingung wichtiger als das im vorherigen Abschnitt beschriebene Resonanzphänomen, das sich auf die Originalversion der Tesla-Spule bezieht..
Sobald die Tesla-Minispule gebaut ist, können Sie damit experimentieren. Offensichtlich werden die Blitze und Funken der Originalversionen nicht erzeugt.
Mit Hilfe einer Leuchtstofflampe oder einer Neonröhre können wir jedoch beobachten, wie die kombinierte Wirkung des im Kondensator am Ende der Spule erzeugten intensiven elektrischen Feldes und der hohen Schwingungsfrequenz dieses Feldes die Lampe ausmacht leuchten auf, wenn Sie sich der Kondensatorkugel nähern.
Das starke elektrische Feld ionisiert das Niederdruckgas in der Röhre und hinterlässt freie Elektronen im Gas. Somit bewirkt die hohe Frequenz der Schaltung, dass die freien Elektronen in der Leuchtstoffröhre das an der Innenwand der Röhre anhaftende fluoreszierende Pulver beschleunigen und anregen, wodurch es Licht emittiert..
Eine leuchtende LED kann auch näher an die Kugel C gebracht werden, um zu beobachten, wie sie aufleuchtet, auch wenn die LED-Pins nicht angeschlossen sind..
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