Tesla-Spule

Das Konzept der Tesla-Spule (oder besser: Tesla-Transformator) geht zurück auf den Wechselspannungs-Pionier Nikola Tesla. Seine Idee war es, elektrische Energie drahtlos zu übertragen.

WARNUNG: Das unten beschriebene Experiment dient ausschließlich der Demonstration von Resonanzeffekten in der Elektrotechnik. Nachbau und Betrieb solcher Hochspannungseinrichtungen sind Lebensgefärlich! Daher wird hiermit ausdrücklich von einem Nachbau abgeraten!

Theorie

Die Teslaspule besteht aus zwei schwach gekoppelten elektrischen Schwingkreisen. Der Primärkreis wird durch einen Kondensator und eine Spule mit möglichst hohem Querschnitt gebildet. Dieser Kreis wird durch eine Hochspannungs-Quelle (>1kV) mit Energie versorgt, sobald der Kondensator auf die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke aufgeladen ist, schließt diese den Stromkreis. Dabei wird auch der Eingangstrafo kurzgeschlossen, weshalb sich für solche Zwecke nur Trafos mit Luftspalt (welcher als magnetischer Widerstand die Sättigung des Kerns verhindert) eignen. Diese Art von Trafos wird meist für Leuchtreklamen verwandt und ist daher relativ leicht zu beschaffen.

Die Sekundärseite besteht hauptsächlich aus einer Spule und einem metallischen Toroid (Sieht aus wie ein Doughnut). Die Kapazität der Windungen zueinander und die Kapazität des Toroids zur Umgebung bilden den Sekundärkondensator. Dies führt zu großen Feldstärken in der Nähe der Anlage.

Bei der Auslegung werden Primärkreis und Sekundärkreis so aufeinander abgestimmt, daß beide dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen. Aufgrund von Kupferverlusten, Fertigungstoleranzen der Bauteile, etc. entstehen Abweichungen zwischen den berechneten und der effektiven Resonanzfrequenzen. Dies kann man durch Änderung der Abgriffes der Primärspule jedoch relativ leicht berichtigen.

Berechnung

Sobald die Funkenstrecke durchgeschlagen ist, kann diese als nahezu idealer Kurzschluss betrachtet werden, damit besteht die Primärseite der Anordnung nur noch aus L1 und C1. Die Sekundärseite besteht dann nur aus der Induktivtität der Sekundärspule und dem Ersatz-Kondensator der Toroid- und Spulenkapazitäten Damit ergibt sich beide Systeme mit der Formel für die Resonanzkreisfrequenz ω0=2πf0

Ausführung

Das Elektroschrott-Lager von Fachhochschulen erweist sich als nahezu ideale Quelle für allerlei elektrotechnische Rohstoffe. Dort lag einmal ein noch original verpackter Phywe Hochspannungstrafo (als Glimmeinrichtung bezeichnet) herum. Dieser wurde selbstverständlich von uns sichergestellt. Nach kurzer Beratung wurde entschieden eine Teslaspule zu bauen, so kam es zu dieser Seite...

Die Berechnungen wurden mittels des Programmes ntesla durchgeführt, die Parameter und Ergebnisse seinen hier nochmal tabellarisch aufgeführt.

Trafo
Trafo Typ: Neontrafo/Shunted
Funkenstrecke (Gap):Fest (Fixed)
Spannung (Voltage):2000 V
Strom (Amperage):50 mA
Netzfrequenz (Frequency):50 Hz
Kondensator C1
Max. Kapazität (Capacitance):0.0563 μF
Spannungsfestigkeit (Voltage rating):5000 V
Primärspule L1
Rohrdurchmesser1.5cm
Innendurchmesser20cm
Wicklungen4
Toroid
Aussendurchmesser38cm
Rohr-Radius10cm
Sekundärspule L2
Durchmesser10cm
Länge60cm
Wicklungen905
Resonanzfrequenz mit Toroid278,34kHz
Die optimale Einstellung zur Resonanz wird durch verstellen des Abgriffes der Primärspule erreicht.

Fotos

Wickeln der SekundärspulePrimärspuleDer Hochspannungstrafo
Die Funkenstrecke im BetriebKorona-EntlandungÜberschläge

Ausblick

Die erreichten Feldstärken in der Umgebung der Anlage sind bereits imposant, jedoch wirken die Überschläge noch relativ klein. Durch einen neuen Eingangstrafo, welcher eine höhere Spannung liefern kann, erhoffen wir uns eine Verbesserung der Leistungen. Dazu wird auch ein neuer (spannungsfesterer) Primärkondensator nötig, welcher vor den Veränderungen neu beschafft werden müsste. Des weiteren könnte eine Verbesserung der Kopplung durch Modifikation der Primärspule, bzw. eine dickere Sekundärspule (kleineres Länge zu Durchmesser-Verhältnis) helfen.