Eigenbau einer Teslaspule

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1 Kantonsschule Ausserschwyz Maturaarbeit Oktober 2013 Eigenbau einer Teslaspule Autor, Klasse: Adresse: Betreuende Lehrperson: Boris Krznar, 4C Hofstrasse 3, 8853 Lachen Markus Leisibach

2 2 Inhaltsverzeichnis 1. Abstract Vorwort Einleitung Biografie Teslas Familie Teslas Kindheit Teslas Ausbildung Lösung für den Wechselstrom Aufbruch nach Amerika Die Tesla Electric Company Colorado Springs Teslas Geldnot bis zu seinem Tod Interessante Erfindungen von Tesla Besuch seiner Geburtsstätte in Smiljan Die Teslaspule und deren Praktischer Aufbau Funktion Schaltplan Komponenten und Eigenbau Hochspannungstransformator Die Funkenstrecke Die Primärspule Die Sekundärspule Der Primärkondensator Das Zusammenfügen der Komponenten und Erstbetrieb Berechnungen Kondensator Sekundärkreis Primärkreis Zweitbetrieb Ergebnisse Diskussion Erweiterungen Erfahrungen...31

3 3 14. Schlusswort Glossar Quellenverzeichnis Internet Grafikquellen Quellen zu den Bauanleitungen Eigenständigkeitserklärung Anhang Bilder zu Smiljan Weitere Bilder zur Teslaspule...38

4 4 1. Abstract Meine Maturaarbeit handelt grösstenteils vom Eigenbau und der Ingangsetzung von einer Teslaspule. Mit dieser Spule kann man Blitze erzeugen, kaputte Glühbirnen in Plasmakugeln verwandeln, Elektronikgeräte und Kreditkarten durch das Magnetfeld in der Nähe zerstören und Neonröhren in der Hand zum Aufleuchten bringen. Zudem widme ich einen Teil einer sehr interessanten Persönlichkeit, Nikola Tesla. Des Weiteren erzähle ich von meinem Besuch von seiner Geburtsstätte.

5 5 2. Vorwort Als ich klein war, erzählte mir mein Vater oft von einem sehr mysteriösen und interessanten Wissenschaftler. Er wollte nicht Dinge erfinden, um damit einen Profit zu erzielen. Er wollte die Menschheit verändern. Der Name dieses Wissenschaftlers war Nikola Tesla. Mich begeisterten seine Erfindungen, seine Denkweise und auch die Tatsache, dass man ihm viele Erfindungen und Patente gestohlen hatte und er sich nicht darüber aufregte weil er selbst sagte, dass der Moment den Dieben, gehört aber die Zukunft, für die er wirklich gearbeitet hatte, in seinen Händen liegt 1. Umso älter ich wurde, desto eher wurde er mit seiner begeisternden Denkweise zu meinem Idol. Lange war ich im Unklaren darüber, von welcher Thematik meine Maturaarbeit handeln soll. Ich wusste, ich würde etwas im Naturwissenschaftlichen Bereich machen wollen. Nach langen Überlegungen wurde mir klar, dass ich mich einer Arbeit meines Idols widmen möchte und die wunderbare, aber auch sehr gefährliche Seite der Elektrizität entdecken will. Andererseits wollte ich auch eine letzte Ehre diesem, meines Erachtens heutzutage vergessenem Genie erweisen, indem ich seine Biografie der Interessenten erläutere und eine seiner Erfindungen, die Teslaspule selbst, versuche herzustellen und zum funktionieren zu bringen. Ein ganz besonderer Dank gilt meinem Vater, der mich finanziell und mental unterstützte und mich immer wieder motivierte, etwas zu tun. Desweiteren danke ich ihm, dass er mir erst den Bau ermöglichte, indem er seine Kontakte mir zur Verfügung stellte. Weiter möchte ich mich bei Marian und seinem Sohn Kevin Horvat, welcher in meinen Augen ein kleines Genie ist, bedanken. Ohne deren Hilfe hätte die Arbeit niemals so sauber und vor allem sicher verlaufen können. Folglich möchte ich mich bei allen bedanken, welche mir Teile zur Verfügung stellten, diese Arbeit mit Freude lesen und denen, die bei meiner Korrektur weitergeholfen haben. Zu guter Letzt möchte ich mich noch bei meiner Betreuungsperson Markus Leisibach bedanken. Ohne die Zustimmung und die fortlaufende Unterstützung hätte ich keine Maturaarbeit in diesem Stil hervorbringen können. 1 Zitat:

6 6 3. Einleitung Das Ziel meiner Arbeit ist es, eine funktionierende Teslaspule nachzubauen. Den Schwerpunkt der Arbeit setzte ich dabei auf den Bau und das Selbsterlernen gewisser Gesetzmässigkeiten der Elektrotechnik. Für den Bau standen vor allem das exakte Herstellen der Teile und deren individuelle Berechnungen im Vordergrund, da ohne grosse Vorkenntnisse die Exaktheit selbst eine relevante Rolle spielte. Somit habe ich mir während meiner Arbeit einen Teilbereich der Physik teilweise selbstangeeignet. Um die ganze Sache abzurunden, werde ich kurz die Biografie von Nikola Tesla aufgreifen und meinen Besuch bei seiner Geburtsstätte dokumentieren.

7 7 4. Biografie 4.1 Teslas Familie Nikolas Mutter, Djouka Tesla, war Analphabetin, konnte aber Bibelpassagen und unzählige Verse aus der serbischen Nationalpoesie perfekt zitieren. Sein Vater, Milutin Tesla, strebte zunächst dem Militärdienst nach, doch nach der Heirat mit Djouka trat er in das geistliche Amt ein und wurde später zum Priester. Am 9. Juli 1856 erblickte in Smiljan im heutigen Kroatien ein Junge das Tageslicht. Dieser Junge bekam den Namen Nikola und war das zweitälteste der fünf Kinder der Teslafamilie. Als Nikola fünf Jahre alt war, starb sein ältester Bruder, was für ihn eine grosse Herausforderung darstellte. Damit er sich von diesem mysteriösen Unfall ablenken konnte, stütze er sich schon in seinen jungen Jahren auf sein Erfindergeist und machte als Kind schon kleine Entdeckungen Teslas Kindheit Schon als Junge war er sich bewusst, dass er andere Interessen hatte und diese nicht mit den anderen Kindern teilen und er deswegen keine Freunde unter seinen Spielkameraden finden konnte. Schon im Alter von zwölf baute er eine Luftpumpe, welche mit Vakuum angetrieben wurde. Zu seiner Enttäuschung drehte sich diese nur sehr langsam. Später erfand er die Teslaturbine, welche auf dem Prinzip der vorher erwähnten Luftpumpe basierte

8 8 4.3 Teslas Ausbildung Im Alter von 15 Jahren setzte er seine Ausbildung im höheren Realgymnasium in Karlovac (Kroatien) fort. Diese vierjährige Ausbildung beendete er schon nach drei Jahren. Weil ihn die Physik so sehr faszinierte, wollte er sein Leben der genaueren Untersuchung der Elektrizität widmen. Als er wieder nach Hause kam, erkrankte er an Cholera. Es sah so aus, als könnte er es nicht überleben, dies war ihm jedoch gleichgültig, weil er wusste, sobald er wieder gesund wird, würde seine Familie ihn dazu zwingen, das Priesteramt seines Vaters anzustreben. Als ihm Abbildung 1: Nikola in den jungen Jahren sein Vater aber versprach, dass er die Ingenieurskunst studieren zu dürfen, ging es dann wieder aufwärts mit seiner Genesung brach Nikola Tesla nach Österreich auf, um in Graz sich in die Elektrotechnik einzuschreiben. Bei einer Vorlesung im zweiten Schuljahr demonstrierte ein Professor eine Gleichstrommaschine. Nikola Tesla war davon begeistert, wollte aber ein Verbesserungsvorschlag dem Professor geben, um die Funken dieser Maschine zu vermeiden. Dieser wollte jedoch nichts davon hören, weil er der Meinung war, dass der Strom von Natur aus nur in eine Richtung fliessen kann. Für Nikola war aber diese Diskussion noch lange nicht beendet. Tesla verfiel einer starken Spielsucht und wurde von der Schule verwiesen, da er ohnehin sein weniges Geld verspielte. Die Schule begründete den Rauswurf, aufgrund seines exzessiven Lebenstils. Er rauchte viel, trank sehr viel Kaffee und schlief nur vier Stunden pro Tag ging er an die Universität in Prag. Kurz nach seiner Ausbildung, starb sein Vater

9 9 4.4 Lösung für den Wechselstrom Wieder wurde Tesla von Krankheiten geplagt. Nach seiner Genesung kam ihm die Lösung des Wechselstrommotors in den Sinn. Auch die nächste Zeit widmete er der Untersuchung des Wechselstroms. Seine Erfindung präsentierte er in Paris. Zu seiner Enttäuschung zeigte niemand Interesse. Deshalb ging er zur Continental Edison Company und erhielt dort eine Stelle. Er fand daraufhin eine Werkstatt und baute ein Modell seiner Gedanken zusammen. Beim Testlauf lief die Erfindung einwandfrei. Daraufhin wusste er nicht weiter, weil auch die Geschäftsleitung nichts von dieser Theorie hören wollte Aufbruch nach Amerika Auf eine Empfehlung hin ging Tesla nach Amerika. Er wollte dort versuchen, ein zuhörendes Ohr bei der Edison Company zu gewinnen. Er verkaufte alles bis aufs Nötigste, um sich eine Fahrkarte leisten zu können. Vom Unglück verfolgt wurde ihm Alles samt Fahrkarte geklaut. Trotzdem konnte er an Bord gehen, da niemand Anspruch auf den Platz erhob. Als er in Manhattan ankam, hatte er genau vier Cent bei sich. Nach einem längeren Fussmarsch, der einige Tage andauerte, kam er bei Edison an. Wieder zu seinem Pech war Edison der falsche für seine Erfindung, was er bald feststellen musste. Tesla stieg in der Hierarchie auf, indem er zwei Generatoren reparierte, welche als nicht mehr brauchbar galten. Im Frühjahr 1885 versprach Edison, dass Tesla 5000 Dollar für sich gewinnt, wenn er einen höheren Wirkungsgrad bei den Generatoren erziele. Nach unzähligen Überstunden kam Tesla mit der Lösung in der Hand und erntete nur Gelächter von Edison der daraufhin sagte: "Ich sehe schon, dass Sie unseren amerikanischen Humor noch nicht so recht verstehen." Nach dieser Provokation kündigte Tesla

10 Die Tesla Electric Company Tesla machte eine Bekanntschaft mit A.K. Brown, welcher ihn finanzierte und dank ihm konnte er die Tesla Electric Company eröffnen. Endlich war er nun in der Lage, seine Wechselstrommodelle zu bauen. Er gelangte in den Mittelpunkt der Gesellschaft, als er ein Patent für diese Modelle erhielt. Auch weckte er das Interesse von Westinghouse, welcher die Wechselstrommodelle für viel Geld Abbildung 2: Zertifikat zu Teslas Company danach abkaufte, weckte er. Vier Jahre später kam Westinghouse auf Tesla zu und bat ihn, den Vertrag aufzulösen, da er sonst nicht mehr in der Lage sei, wegen schlechten Bedingungen die Firma weiterzuführen. Tesla willigte ein, da ihm nur wichtig war, dass seine Erfindung weiterhin der Welt zur Verfügung steht. In der Zwischenzeit widmete er sich den Problemen, welche die Glühbirnen von Edison aufwiesen. Bei der Suche nach der Lösung erzeugte er Hochfrequenzströme. Im Jahr 1890 gab er bekannt, dass es Wärmeeffekte auf den menschlichen Körper bei Hochfrequenzströmen gebe. In kürzester Zeit gab es viele Nachahmungen, weil er kein Patentrecht beantragte. Auch mit 35 Jahren waren Frauen für ihn ein Tabuthema. Er ass nicht einmal bei Tisch mit ihnen. Ein bekanntes Zitat von ihm zu diesem Thema ist: I do not think you can name many great inventions that have been made by married men Zitat:

11 Colorado Springs Tesla war überzeugt, gegen Ende des Jahres 1898, dass elektrische Energie durch das natürliche Medium übertragbar sei und deshalb errichtete er ein Laboratorium mit Sendeturm in Colorado Springs, welches ein geeigneter Ort für seine Experimente war. Dieser Sendeturm war nichts Weiteres als eine übergrosse Teslaspule. In Colorado Springs machte er die Entdeckung, dass die Erde voll von elektrischen Schwingungen umgeben und somit lebendig ist. Bis heute sind diese jedoch nicht nutzbar. 10 Abbildung 3: Die übergrosse Teslaspule 4.8 Teslas Geldnot Weil Tesla kein Einkommen mehr und ständig nur Ausgaben hatte, fing er in der Wardenclyffe Anlage, welche er durch die Finanzierung von J. Piermont Morgan aufstellte, Spulen zu bauen und diese an Krankenhäuser und Forschungsanstalten zu verkaufen. Trotzdem verbesserte sich seine finanzielle Lage nicht und der Druck wurde immer grösser. Er wurde dann so gross, dass Tesla einen emotionalen Zusammenbruch erlitt. Er gab nicht auf und setzte seine letze Kraft dazu ein, um die Pläne der drahtlosen Übertragung von Energie umzusetzen. Er war überzeugt, dass elektrische Wellen als Zerstörungswaffen eingesetzt werden können und versuchte mit seinem Hochleistungstransmitter in Wardenclyffe Berühmtheit zu erlangen, indem er behauptete, sein Transmitter wäre so leistungsstark und hätte eine enorme Zerstörungskraft. Zur weiteren Enttäuschung war wieder niemand daran interessiert und somit verzweifelte Tesla. 11 Abbildung 4: Wardenclyffe Laboratorium

12 bis zu seinem Tod Abbildung 5: Teslaturbine Im Jahre 1906 baute er das erste Modell der Teslaturbine, welche den herkömmlichen Dampfmaschinen viel überlegener war. Er wurde auch für den Nobelpreis nominiert. Dieser sollte 1912 zum gleichen Teil an Edison und Tesla gehen. Tesla lehnte jedoch ab, da er nicht den gleichen Preis wie Edison wollte, da er ihn "nur" als Erfinder, sich aber als Entdecker sah. Im Jahr 1915 wurde das Wardenclyffe Laboratorium verkauft, damit Teslas Schulden bezahlt werden konnten. Bis ans Ende seiner Tage musste er sich keine finanziellen Sorgen mehr machen, da er ab 1936 eine jährliche Ehrenrente in Höhe von 7200 Dollar erhielt. Am 7. Januar 1943 starb er an Altersschwäche in seinem Hotelzimmer. Er starb, wie er sein ganzes Leben gelebt hatte allein

13 13 5. Interessante Erfindungen von Tesla Teslaturbine Diese Turbine soll angeblich den 20 fachen Wirkungsgrad von normalen besitzen, trotzdem wird sie auch heute nicht verwendet. Ferngesteuertes U-Boot Dieses mit Elektrizität gesteuertes Unterseeboot konnte mit einer Fernbedienung gesteuert werden. Mechanischer Oszillator Dieses Gerät verflüssigte Luft indem es deren Dichte sehr stark veränderte. Blitzableiter Wechselstrom Motor Frequenzmesser Tachometer Besuch seiner Geburtsstätte in Smiljan In den Sommerferien besuchte ich mit meinen Eltern die Geburtsstätte von Nikola Tesla, welches heute ein kleines Museum ist. Es war sehr eindrucksvoll für mich, an den Ort zu kommen wo ein Genie und Visionär seine Kindheit verbrachte. Vor allem wenn man bedenkt, welche Mühen man auf sich nehmen musste im 19. Jahrhungert, um aus so einem kleinen Dorf alleine in die grosse weite Welt aufzubrechen. Was für mich sehr aufregend gewesen ist, dass ich das erste Mal neben einer Riesigen Teslaspule stand. Das Laboratorium von Colorado Springs war dort auch nachgebaut. Einige Bilder meines Aufenthaltes sind im Anhang aufgelistet. 13 Seine Erfindungen:

14 14 7. Die Teslaspule und deren Praktischer Aufbau Nun kommen wir zum Schwerpunkt meiner Arbeit. Im folgenden Kapitel werde ich euch die Funktionsweise der einzelnen Komponenten erläutern und den Eigenbau, welcher eine Mixtur aus mehreren Bauanleitungen einer Spule ist, demonstrieren. 7.1 Funktion Die Teslaspule ist ein impulsbetriebener Transformator, deren Primärkreis aus einem Kondensator mit grosser Kapazität, einer Funkenstrecke und einer Primärspule besteht. Durch einen weiteren Hochspannungstransformator wird der Kondensator, welcher meistens aus mehreren kleineren Kondensatoren, welche in Reihe und einige davon parallel geschaltet worden sind, aufgeladen. Wenn die Überschlagspannung der Funkenstrecke, welche parallel zum Kondensator und Primärspule liegt, erreicht wird, zündet diese wie es ihr Namen schon verrät, Funken, was ein Plasma ist, welches aus geringem elektrischem Wiederstand besteht. Ein weiterer Begriff dieses niedrigen Wiederstandes ist niederohmig. Der Primärkreis ist geschlossen und schwingt mit seiner Resonanzfrequenz. Der sekundärkreis besteht aus einer länglichen Spule, der Sekundärspule, welche oben mit einer Elektrode, eine Kugel oder meistens mit einem Torus verbunden ist. Das untere Ende dieser Spule ist geerdet. Das obere Ende der Spule dient als Entladungsterminal. Auch der Sekundärkreis hat einen Schwingkreis, welche dieselbe Resonanzfrequenz wie der Primärkreis besitzt. Nun gibt die Primärspule der Sekundärspule, welche sich in deren Mitte befindet, Energie weiter, wo Spannungen bis mehreren Millionen Volt entstehen können. Sobald die Durchbruchsspannung der Kopfkapazität des Endladungsterminals erreicht wird, entladen sich lange Funken in der Luft

15 Schaltplan Mit einem Schaltplan kann man veranschaulichen, wie die einzelnen Komponenten verbunden sind und somit kann man sich ein Bild von der vorhin erwähnten Funktionsweise machen. Abbildung 6: einfacher Schaltplan einer Teslaspule 8. Komponenten und Eigenbau Der eigentliche und zentrale Aspekt meiner Arbeit beschäftigt sich mit der für mich sehr interessanten Erfindung von Tesla, welche ich selbst nachgebaut habe. Im folgenden Kapitel werde ich euch die Funktionsweise der einzelnen Komponenten erläutern und den Eigenbau veranschaulichen, welcher eine Mixtur aus mehreren Bauanleitungen einer Teslaspule ist.

16 Hochspannungstransformator Die Hochspannungsquelle der Teslaspule besteht meistens aus einem Hochspannungstransformator, welcher die Netzspannung von 230 V in den Kilovoltbereich herauf transformiert. Aus verschiedenen Berichten erfuhr ich, dass die Spannung nicht unter sechs Kilovolt sein sollte, da es sonst bei der Funkenstrecke sowie bei deren Überschlag Probleme gäbe. 15 Zuerst erhielt ich einen Transformator von der Schule, welchen ich selbst zusammenbauen musste. Dieser jedoch konnte nur eine maximale Leistung von acht Kilovolt erreichen. Zudem war der Kern des Transformators sehr schwer und bräuchte viel Platz in meiner Teslaspule. Abbildung 7: Bauteile für einen Transformator 15

17 17 Deshalb suchte ich nach einer weiteren Lösung und fand im Internet, dass die Zündtransformatoren eines Ölbrenners es auf eine geeignetere Leistung von zehn Kilovolt bringen und zudem sehr wenig Platz brauchen. Daraufhin rief ich bei der Firma Elco an um nachzufragen, ob sie einen alten Ölbrenner hätten, welchen sie nicht mehr brauchen. Sie bejahten und nach nur zwei Tagen erhielt ich ihn. Komischerweise erhielt ich nicht nur den Transformator, sondern den ganzen Föhn, welcher im Ölbrenner zuvor hauste. Diesen musste ich dann auseinander nehmen und zu meinem Pech hatte ich die Hochspannungskabel zerschneiden müssen, da sie eingeklemmt waren. Abbildung 8: Hochspannungstranformator Später wurden die abgeschnittenen Hochspannungskabel wieder durch die Hilfe eines erfahrenen Elektrotechnikers in den Zündtransformator zurück montiert. Dieser Transformator wurde beim Zusammenbau auf eine 50cm x 50cm Holzplatte geschraubt und die Anschlüsse wurden mit einem normalen Netzkabel verbunden. Abbildung 9: Holzplatte und der fertige Hochspannungstransformator

18 Die Funkenstrecke Bei der Teslaspule dient die Funkenstrecke wie ein Schalter. Bei ihr wird die gesamte Energie des Primärkondensators entladen. Somit fliesst für kurze Zeit ein sehr grosser Strom. Dies wiederholt sich sehr schnell, da beim Wechselstrom die Richtung immer geändert wird und somit bei jeder Richtungsänderung der Kondensator auflädt und entlädt. Das heisst, dass im Mittelwert noch immer ein sehr hoher Strom fliesst. Die Funkenstrecke wird beim Betrieb sehr heiss, da Blitze bekanntlich eine hohe Wärme aufweisen. Wichtig ist bei der Funkenstrecke, dass nur dann ein Funke entsteht, wenn die Kondensatoren sich entladen. Wenn ein Dauerfunken entsteht, ist das kein gutes Zeichen, da viel Energie in Wärme umgewandelt wird, was zum Leistungsverlust der Spule führt. Deshalb ist die Funkenstrecke das heikelste Bauteil der Teslaspule. Für die Funkenstrecke gibt es wie bei den Kondensatoren viele verschiedene Baumöglichkeiten. Darunter befinden sich rotierende Funkenstrecken und viele Arten der statischen Funkenstrecke. Da ich keine Elektromotoren zur Verfügung hatte, entschied ich mich für eine statische Funkenstrecke. Dazu übernahm ich die Bauweise von Marc Niggemann, welcher eine ausführliche Bauanleitung im Internet veröffentlichte. 19 Ich kaufte mir eine lange Gewindestange und die passenden Muttern dazu. Diese Gewindestange schnitt ich zurecht und erhielt vier kleinere, welche mir von der Grösse her passten. In diesen vier kleineren bohrte ich je ein Loch mit einem Durchmesser von 3mm. Durch diese Löcher Abbildung 10: Erste Zusammensetzung des Transformators, der Funkenstrecke und dem Kondensators

19 19 steckte ich dann drei Elektroden, welche früher aus Lötgeräten stammten und zurecht geschliffen wurden. Danach wurde alles mit den Muttern befestigt. Zum Schluss wurden noch die vier kleineren Gewindestangen in die 50cmx50cm Platten montiert und auch wieder mit Muttern befestigt. Die mittleren beiden Gewindestangen wurden mit einer kleinen Metallplatte verbunden, was nicht nötig wäre. Danach wurde die Funkenstrecke mit der Hochspannungsquelle und den Kondensatoren verbunden. Zu den Kondensatoren kommen wir noch später.

20 Die Primärspule Die Primärspule koppelt deren Schwingungen, welche hochfrequent sind, auf die Sekundärspule aus. 20 Wieder stützte ich mich bei der Primärspule auf die Anleitung von Marc Niggemann, da die exakte Windungszahl, Form und Lage experimentell bestimmt werden muss und mir manche Experimente aus Zeitmangel nicht durchführbar erschienen. Bei der Wicklung der Primärspule nahm ich dickeres Kupferdraht mit einem Durchmesser von 3mm und ca. 10m Länge. Diesen Draht zog ich zuerst mit viel Kraft in die Länge, damit die Knicke nicht mehr so extrem sind. Für das Umwickeln des Drahtes nahm ich eine grosse Sauerstoffflasche, welche einen Durchmesser von 20cm hatte. Nach neun Windungen schnitt ich den Rest des Drahtes weg. Als Halterung für die Spule schnitt ich vier kleinere Plexiglasscheiben zurecht und machte alle 12mm ein Loch damit der Draht befestigt werden konnte. Danach wurde alles auf eine weitere 50cmx50cm Platte befestigt. In diese Platte wurde vorher in der Mitte ein Loch, für die Sekundärspule gebohrt. Später wurde auch ein Teil des Gehäuses angefertigt, sodass man alle Komponenten hinzufügen konnte. Abbildung 11: die Primärspule 20

21 Die Sekundärspule Die Sekundärspule ist das auffälligste Bauteil bei den Teslaspulen. Sie bestehen aus Kupferlackdraht, welcher um meistens ein PVC Rohr gewickelt wird und daraufhin mit Lack beschichtet werden, um einen mechanischen Schutz vor ungewollten Überschlägen aufzuweisen. Am oberen Ende befestigt man, wie schon früher erwähnt, ein Entladungsterminal. Am unteren Ende wird eine Erde befestigt. Die Erde ist dazu da, dass am Fusspunkt ein Nullpotenzial anliegt. Die Sekundärspule bildet einen Schwingkreis, wodurch die Anregung der Resonanzfrequenz eine Spannungsüberhöhung stattfindet. Ein elektromagnetisches Feld bzw. ein starkes Spannungsgefälle bildet sich durch das Nullpotential am Boden des Leiters. Daraus folgt, dass ein Funke ausbricht, sobald die Spannungsfestigkeit der Luft erreicht wird. 21 Abbildung 12: fertige Sekundärspule Im Internet wird oft angedeutet, dass die Spulen ungefähr 1000 Windungen haben müssen. Da ich mich zuerst auf den praktischen Zusammenbau der Spule stürzte, übernahm ich wieder die Angaben von Marc Niggemann. Ich kaufte daraufhin ein PVC Rohr im Hornbach, welches einen Durchmesser von 7.5cm hatte und bestellte bei Conrad, Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 0.35mm. Als ich anfing zu wickeln, merkte ich schnell, dass diese Aufgabe gar nicht so einfach ist und sogar sehr viel Zeit braucht. Nach drei zeitaufwändigen und nervenaufreibenden Versuchen schaffte ich eine Spule zu wickeln, die leider nicht brauchbar war, da es bei der Spule keine Knicke oder Überlappungen haben darf. Nach ca. zehn Stunden Arbeitsaufwand war ich am Verzweifeln, ob ich dies jemals schaffen werde. Auf den Rat meines Vaters baute ich, dann ein Konstrukt zusammen, was das Wickeln vereinfachen sollte. Tatsächlich konnte ich daraufhin die Spule problemlos mit wenig Zeitaufwand und ohne Fehler zusammenbauen. Später befestigte ich eine Aluminiumkugel oben drauf, welche ich zu Hause gefunden hatte. Abbildung 13: die Sekundärspule beim Wickeln 21

22 Der Primärkondensator Damit der Sekundärkreis zum Schwingen gebracht wird, speichert der Kondensator oder auch Primärkondensator die Energie, die dazu nötig ist. Er wird durch den Transformator periodisch so weit aufgeladen, bis er sich über die Funkenstrecke entladen kann. Dessen Spannungsfestigkeit richtet sich nach der maximalen Ausgangspannung des Hochspannungstransformator. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, dass der Kondensator Impulsfest ist, sodass er die hohen Kurzschlussströme aushalten kann. Je nach der Dimensionierung der Spule oder der Hochspannungsquelle besitzt der Kondensator eine Leistung von 1-250nF. 22 Als Primärkondensator gibt es viele Möglichkeiten diesen zusammenzubauen. Die einfachste Variante wäre gewesen, einen solchen zu kaufen, welcher die nötige Kapazität schon besitzt. Dies kam bei mir nicht in Frage, weil diese sehr teuer sind und in der Schweiz nicht erhältlich waren. Man kann auch solche aus Flaschen zusammenbauen, welche ein Salzgemisch im Innern besitzen. Diese Flaschenkondensatoren waren für mich auch kein Thema, weil sie sehr viel Platzt brauchen und somit kein Platz im Gehäuse meiner Spule fänden. Eine weitere Lösung war das in Reihe und parallel Schalten von kleinen Spannungsfesten Kondensatoren, den sogenannten MMC-Kondensatoren(Multi-Mini-Cap). Diese Lösung erschien mir am relevantesten, weil diese Kondensatoren wenig Platz brauchen und günstig für ein paar Franken bei Conrad erhältlich sind. Daraufhin bestellte ich 30 Stück bei Conrad, welche eine hohe Abbildung 14: MMC- Kondensator Spannungsfestigkeit und eine elektrische Kapazität von µf besitzen. Wichtig ist, dass man die Kapazität der Kondensatoren auf mindestens die zweifache Kapazität stimmt, welche die Hochspannungsquelle erreichen kann. Somit wird die maximale Leistung genutzt und man verhindert zusätzlich eine Überhitzung sowie das Platzen dieser Kondensatoren. 22

23 23 Die maximal erreichbare Kapazität des Transformators beträgt ca. 6.4nF. Da ich mich überhaupt nicht im Vorneherein mit der Berechnung dessen Leistung befasste und im Allgemeinen keinen blassen Schimmer von der Elektrotechnik hatte, half mir zunächst eine Internetseite zur Berechnung gewisser Leistungen. Auch später fand ich, trotz langer Internetrecherche, keine Lösung zur Berechnung der Kapazität des Primärtransformators. Deshalb stützte ich mich erneut auf die Angaben aus dem Internet und hauptsächlich an die Anleitung von Marc Niggemann. 23 Die Kondensatoren mussten eine elektrische Kapazität von ca. 6.4nF und eine Spannungsfestigkeit von mindestens 20kV besitzen. Da mir dies zunächst nicht bekannt war, hatte ich zehn Stück parallel geschaltet und drei in Serie. Für die Verbindungen dienten mir Kupferdrähte mit einem Durchmesser von etwa 2mm, welche mit den Enden der Kondensatoren zusammengelötet wurden. Abbildung 15: der fertige Kondensator(10. parallel und 3. in Serie geschaltet) 23

24 24 9. Das Zusammenfügen der Komponenten und Erstbetrieb Anhand des Schaltplanes kann man schön sehen, wie die Komponenten verbunden sind. Dies machte ich, sobald ich die nötigsten Teile des Gehäuses zusammenbaute. Da ich möglichst wenig Platz brauchen wollte, befestigte ich die Primär- und die Sekundärspule am oberen Ende des Gehäuses. Sobald alles fertig war, setzte ich die Spule in Gang. Natürlich wurde sie niemals ohne eine Aufsichtsperson betrieben. Zu meiner Enttäuschung rührte sich nichts. Ich wusste nicht mehr weiter. Deshalb holte ich mir Hilfe von einer Fachperson, welche sofort den Fehler erkannte. Der Primärkondensator wurde falsch zusammengebaut. Man sollte die Kapazität neu berechnen. Daraufhin suchte ich die Formeln zur Berechnung der Kondensatoren. Abbildung 16: Halbfertige Spule, jedoch schon betriebsbereit

25 Berechnungen 10.1 Kondensator Zur Berechnung der elektrischen Kapazität der Kondensatoren dienten mir zwei Formeln, eine für die Parallel- und eine für die Reihenschaltung. Für die Reihenschaltung: Für die Parallelschaltung: Daraus folgte, dass die maximale Kapazität meines Primärkondensators bei ungefähr 156nF lag, was viel zu viel ist. Bis jetzt noch wundere ich mich, wieso keiner der Kondensatoren explodierte, da die Spannungsfestigkeit gerade mal bei 3750 Volt war! Als zweiten Versuch schaltete ich dann alle 30 Stück in Reihe, was nur eine Kapazität von 1,57nF aufweist. Die Spannungsfestigkeit dieses Kondensators war bei ca. 18kV perfekt. Später wurde noch mehr mit den Kondensatoren herumexperimentiert. Abbildung 17: Veränderter Kondensator, 30 Stück in Serie geschaltet 24 Formel Reihenschaltung : 25 Formel Parallelschaltung:

26 Sekundärkreis Ich stellte verschiedene Berechnungen an, da ich mehr über das Funktionsprinzip der Teslaspule herausfinden wollte, suchte ich im Internet wie man die Frequenz der Spulen berechnet, sodass ich mir ein genaueres Bild davon machen konnte. Dort stiess ich auf weitere Begriffe wie Induktivität und Masseinheiten die mir zuvor fremd waren.. Da die Induktivität mit der Frequenz und der Kapazität einen Zusammenhang aufweisen, war die Wichtigkeit dieser drei Eigenschaften, sehr gut, danke der Thompson Formel nachvollziehbar. 26 Damit ich die Induktivität der Sekundärspule berechnen konnte, brauchte ich jedoch eine andere Formel. Die Formel für in die lang gestreckte Spulen war als sehr geeignet beschrieben worden. 27 Mit dieser Formel gelangte ich auf einen Wert von mH. Anhand dieses Wertes konnte ich die elektrische Kapazität, mit Hilfe der Medhurst Formel berechnen. 28 Anhand dieser Formel kam ich auf ein Ergebnis von 6.78pF 26 Zusammenhang der formeln/ Thompson Formel: 27 Formel Induktivität: 28 Medhurst Formel:

27 27 Zum Schluss berechnete ich noch die Frequenz mit der Thompson Formel, welche auf dem Seitenanfang der letzten Seite aufgelistet war. Mit dieser Formel gelangte ich auf eine Frequenz von ca. 477,33 khz. Zum Überprüfen der Resultate diente mir die Internetseite von Jens Raacke.

28 Primärkreis Da ich nun wusste, mit welcher Frequenz die Sekundärspule schwingt, konnte ich Berechnungen zum Primärkreis anstellen, der bekanntlich die gleiche Resonanzfrequenz wie der Sekundärkreis haben soll. Meine Hochspannungsquelle schafft es laut Quellen auf eine maximale Kapazität von 6.37nF. Wie dies berechnet wurde, ist mir ein Rätsel. Dieses Ergebnis habe ich auch von Jens Raackes Internetseite zur Berechnung von Teslaspulen. 29 Um die benötigte Induktivität der Primärspule zu berechnen, brauchte ich die Formel, welche ich auf der vorherigen Seite aufgelistet hatte. Indem ich die Kapazität vom Transformator und die Frequenz der Sekundärspule einfügte, erreichte ich ein Resultat von 17.54mH. Meine Primärspule müsste also eine Induktivität von 17.54mH besitzen, sodass beide Kreise dieselbe Frequenz aufweisen. Die Formel zum Bestimmen der Induktivität der Primärspule war wiederum eine andere. Da diese Formel auf die Masseinheit in Inch abgeändert war, musste ich dies auch tun. 30 Anhand dieser Formel kam ich auf eine Induktivität von ca. 14mH, was nicht schlecht, jedoch nicht der gewünschte Wert ist und somit die Leistung der Spule beeinträchtigt. Wieder wurden alle Ergebnisse im Internet überprüft. Dort ist jedoch die gleiche Frequenz im Primärkreis wie auch im Sekundärkreis zu finden. Daraus schliesse ich, dass meine Berechnungen eine solche Abweichung durch mehrmaliges Aufrunden erreichten Formel Induktivität: html#lcres

29 Zweitbetrieb Nachdem die Berechnungen gemacht wurden und das Problem bei den Kondensatoren lag, änderte ich dies sofort. Beim Anschalten der Spule erkannte man sofort, dass die Funkenstrecke hell aufleuchtet und sehr laute Geräusche von sich gibt. Voller Freude holte ich eine Neonröhre, eine Glühbirne und das Erdungskabel in meine Nähe und fing an, die Tests durchzuführen. Alles funktionierte einwandfrei, ausser dass einige Funken von der Primärspule zur Sekundärspule überschlugen, was nicht sehr schlimm ist, da die Sekundärspule einen mechanischen Schutz hat. Abbildung 18: Glühbirne die zur Plasmakugel wird Abbildung 20: Neonröhre, welche in der Nähe hell aufleuchtet Abbildung 19: Aktive Teslaspule

30 Ergebnisse Bei meiner Arbeit gab es natürlich auch viele Schwierigkeiten, da ich, wie schon öfters angedeutet, mich in ein unbekanntes Gebiet begab, nämlich der Elektrotechnik. Vieles musste ich mir selber Aneignen oder mich von Fachleuten belehren lassen. Das gute war, dass die Anleitungen im Internet sehr ausführlich beschrieben sind und es auch viele Bezugsquellen gab, welche auch unter anderem Foren waren, wo die User ihre Probleme schilderten. Die grösste und nervenaufreibendste Schwierigkeit überhaupt war das Wickeln der Sekundärspule, da die Aufgabe ohne Spulenwickler für Anfänger wie mich praktisch unmöglich war. Das Wickeln der Sekundärspule war am Zeitaufwändigsten und war das einzige Bauelement, welches keine einzigen Fehler aufweisen durfte. Ich finde es noch witzig, dass man oft, wenn mein ein fertiges Gerät sieht, einem dessen Komplexität nicht bewusst ist und man zudem auch keine Vorstellung über den Arbeitsaufwand hat. Wir benutzen heute alle jenste Techniken und erachten diese als selbstverständlich. Dabei vergessen wir, was für eine Schweissarbeit hinter der Erfindung und Erforschung von solchen Dingen steckt. Am meisten gefiel mir bei meiner Arbeit das Zusammenlöten der Komponenten, da ich selbst das Löten liebe und schliesslich das Zusammenfügen der fertigen Komponenten. Dies war eine grosse Erleichterung, da ich Angst hatte, in Zeitmangel zu geraten. Auch bei den Berechnungen hatte ich viele Probleme, da ich lange brauchte, bis ich die relevanten Formeln fand und auch diese ohne grosse Kenntnisse verstehen musste. Zu meinem Glück gibt es das Internet! Dies ersparte mir das zeitaufwändige Suchen in komplizierten Büchern. Somit konnte ich meine selbsterrechneten Resultate immer überprüfen lassen und musste mir keine Sorgen machen, dass die Spule nicht funktioniert, wenn ich einen Rechnungsfehler machte.

31 Diskussion 13.1 Erweiterungen Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, wie man eine Teslaspule erweitern kann. Im Laufe der Zeit jedoch änderte ich mehrmals etwas an der Spule. Ich baute Wände an das Gehäuse der Spule, eine, die man aufklappen kann, sodass niemand beim Betrieb auf die Idee kommt, den Primärkreis anzufassen, weil das direkt zum Tod führen würde. Zudem baute ich noch einen PC-Lüfter, welcher mit 230 Volt betrieben wird, in die Spule, dass die Elektroden bei der Funkenstrecke nicht überhitzt werden oder sogar schmelzen. Zudem hilft der Lüfter, die Funken schneller abzubrechen, da es zusätzlich verhindert, dass ein Dauerfunken entsteht. Ich wollte auch noch die Primärspule umbauen, da sie nach meinen Berechnungen nicht die geforderte Induktivität aufweist. Jedoch konnte ich dies nicht mehr tun, weil ich trotzdem noch unter Zeitdruck geriet. Falls die Zeit dazu da gewesen wäre, hätte ich sie in der Form eines umgedrehten Kegels gemacht, da somit die Höhe der Spule weiterhin gleich bleiben kann, jedoch keine Funken mehr in die Sekundärspule überschlagen würden und somit diese nicht durch die künstlichen Blitze zerstört werden kann. Auch wurde viel mit den Kondensatoren experimentiert. Beim dritten Mal schaltete ich je drei Kondensatoren parallel und danach zehn in Serie. Die Spannungsfestigkeit lag somit bei 12,5 kv und die Kapazität bei ungefähr 14nF. Die Spule funktionierte noch besser als zuvor, die künstlichen Blitze erreichten eine Länge von 30cm, jedoch überschlugen noch mehr Blitze von der Primärspule auf die Sekundärspule. Daraufhin bestellte ich noch mehr MMC-Kondensatoren, um noch mehr dieser Stränge zu bilden, sodass sich die Spannungsfestigkeit erhöht und ich keine Sorgen mehr haben musste, dass die Kondensatoren explodierten Erfahrungen Durch meine Arbeit an der Teslaspule habe ich einerseits einen Einblick in den Bau von elektronischen Geräten und andererseits die Stärke sowie die angsteinflössende Kraft der Hochspannung erfahren. Auch hat die Arbeit mit solchen Geräten mir ein grosses Interesse an der Elektrotechnik geweckt, welches ich mit weiteren Bastelarbeiten in Zukunft verfolgen werde.

32 Schlusswort Das Ziel meiner Arbeit war es, eine funktionierende Teslaspule zu bauen und diese dann der Schule zu überlassen. Zudem war ein weiteres Ziel, das Grundprinzip einer solchen Gerätschaft zu verstehen und in der Lage zu sein, Berechnungen anzustellen. Diese Erfahrung zu machen, bereitete mir grosse Freude und es machte mir Spass, immer etwas Neues dazuzulernen und oft kleine Änderungen an meiner Spule vorzunehmen. Ich möchte mich an dieser Stelle nochmals bei allen bedanken, die mich unterstützt haben. "Ich glaube es gibt nichts spannenderes als das Gefühl, welches das Herz eines Erfinders erfüllt, wenn er zusieht, wie eine Kreation seines Geistes sich erfolgreich entwickelt. Solche Gefühle lassen einen Mann Nahrung, Schlaf, Freunde, Liebe, ja einfach alles vergessen." 31 - Nikola Tesla 31

33 Glossar Induktivität: Verhältnis zwischen induzierter Spannung und Änderung der Stromstärke pro Zeiteinheit 32 Masseinheit Farad: Die Einheit der Kapazit t C ist das Farad. (nach Michael Faraday, engl. Physiker, 1791 bis 1867). 1 F ist die Kapazität eines Kondensators, der bei einer Potentialdifferenz von 1 V die Ladung 1 C aufnimmt. (1 Coulomb bedeutet 6, Elektronen sind gewandert). 1 Farad = 1 F = 103 mf = 106 µf = 109 nf = 1012 pf Typische Kapazitäten liegen zwischen 1 pf und 1 mf 33 Elektroden: Eine Elektrode ist ein elektrisch leitendes Teil in einem elektrischen oder elektronischen Bauteil oder Bauelement, das einen Übergang vom leitergebundenen Strom in ein anderes Medium übernimmt. So beispielsweise in elektronischen Bauelementen wie Dioden, Transistoren, Leucht-, Eletronen- und Kathodenstrahlröhren und auch bei der elektrochemischen Umsetzung in Batterien und Akkus. Elektroden dienen der Erzeugung, Steuerung und Sammlung von Elektronen. 34 Masseinheit Henry: Voltsekunde/1 Ampere; Maßeinheit für die Selbstinduktion Formelzeichen ist H

34 Quellenverzeichnis 16.1 Internet -Andrea Stöcklin, Alessandra Pesenti, Carolina Maria Grize, ( ) ( ) -C. Seiler, -Christian Poerschke, ( ) -Dominik Wyser, Nikola Tesla, -Henne, ( ) -Jürgen Schilling, ( ) -Marc, Rössler, ( ) -Marc Niggemann, -Matt Behrend, html#lcres ( ) -Stefan Binder, ( ) -Verfasser Unbekannt, -Verfasser Unbekannt, ( ) -Verfasser Unbekannt, ( ) -Verfasser Unbekannt, -Verfasser Unbekannt, ( ) -Verfasser Unbekannt, ( )

35 Grafikquellen Abb.1: ( ) Abb.2: ( ) Abb.3: ( ) Abb4.: ( ) Abb.5: atte ( ) Abb.6: ( ) 16.3 Quellen zu den Bauanleitungen -Marc Niggemann, -Jürgen Schilling, ( ) -Stefan Binder, ( ) -Verfasser Unbekannt, ( ) -Jen Raacke, ( )

36 Eigenständigkeitserklärung Ich bestätige hiermit, dass - die vorliegende Maturaarbeit selbständig durch den Verfasser und ohne Benützung anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt wurde. - die benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich als solche kenntlich gemacht wurden. - diese Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungskommission Vorgelegt wurde. Lachen, 28. September Boris Krznar

37 Anhang 18.1 Bilder zu Smiljan Abbildung 24: Teslas Geburtshaus Abbildung 21: Teslaspule Abbildung 22: Titel einiger Bücher Abbildung 23: Nachbau vom Laboratorium von Colorado Springs

38 Weitere Bilder zur Teslaspule Abbildung 26: links, die unbrauchbare Sekundärspule, rechts die perfekt gewickelte Spule Abbildung 25: Modifizierung der Teslaspule mit PC- Lüfter und das Neusortieren der Kondensatoren Abbildung 27: Das Innenleben der modifizierten Teslaspule

39 39 Abbildung 29: Das fertige Gehäuse der Teslaspule Abbildung 28: Primärkondensator( 3.parallel, 10. in Serie geschaltet) Einer ging kaputt Abbildung 31: Die Funkenstrecke mit den Elektroden Abbildung 30: 30cm Entladung der Spule