Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort...Seite 2 2. Einleitung...Seite 3 3. Hauptteil...Seite 4-11 3.1 Biographie von Nikola Tesla...Seite 4 3.2 Die Funktion einer Teslaspule...Seite 5 3.3 Bau und Inbetriebnahme einer Teslaspule...Seite 6-11 3.3.1 Theoretischer Teil der Konstruktion...Seite 6 3.3.2 Einzuhaltende Nennwerte...Seite 7 3.3.3 Praktischer Teil der Konstruktion...Seite 7-10 3.3.3a Das Gehäuse...Seite 7 3.3.3b Die Stromversorgung...Seite 8 3.3.3c Die Löschfunkenstrecke...Seite 8 3.3.3d Der Kondensator...Seite 9 3.3.3e Die Spulen...Seite 9-10 3.3.4 Bestimmung der Resonanzfrequenz...Seite 10 3.4 Probleme bei der Konstruktion...Seite 11 3.5 Gefahren einer Teslaspule...Seite 11 4. Reflexion...Seite 12 5. Quellenverzeichnis...Seite 13 6. Eigenständigkeitserklärung...Seite 14 Sacha Schönbächler Seite 1/14
1.Vorwort Ich entschied mich für dieses Thema nicht von Anfang an, das einzige was ich wusste, war dass ich eine Arbeit in dem Fach Physik erstellen wollte. Wichtig war mir zudem noch, dass es eine sehr praktische Arbeit sein sollte. Sie sollte, wenn man sie sieht, das Augenmerk auf sich ziehen. Ich hatte gar das Bedürfnis, etwas zu erschaffen. Nach einigen nicht ausgereiften Arbeitsideen kam ich letztendlich zum Schluss, einen Tesla-Transformator zu bauen. Eine Maschine, welche praktisch nur noch für Vorführungszwecke zu gebrauchen ist, jedoch genau in diesem Zweck bringt sie die Menschen zum staunen. Herzlicher Dank gilt: Andy Fuchs / Willerzell Beat Kälin / Schindellegi Conrad Kälin Jr. / Einsiedeln Daniel Kälin / (Unbekannt) Samuel Meister / Schindellegi Daniel Schönbächler / Willerzell Tom Quanbrough / Willerzell Sacha Schönbächler Seite 2/14
2. Einleitung In meiner Maturaarbeit werde ich einen nachvollziehbaren Bauplan zur Konstruktion einer Teslaspule wiedergeben, mit anderen Worten werde ich es anderen Personen möglich machen, mithilfe dieser Arbeit selbst eine Teslaspule zu bauen. Ich werde ihnen mögliche Fehlerquellen aufzeigen und mögliche Gefahren darlegen. Darüber hinaus werde ich eine kurze Biographie von Nikola Tesla vorlegen. Dies ist eine typische Physik-orientierte Arbeit, zu der auch andere Arbeiten im Internet zur Verfügung stehen. Sacha Schönbächler Seite 3/14
3.Hauptteil 3.1 Biographie von Nikola Tesla Nikola Tesla wurde am 10. Juli 1856 in Smiljan, Kroatien geboren. Im Jahr 1875 begann er sein Studium an der Technischen Hochschule Graz 1. Ab dem Jahre 1876 Studierte er Maschinenbau 2. Im Studienjahr 1877/78 wurde er exmatrikuliert wegen Nichtbezahlung des Unterrichtgeldes. Er zog am 6. Juni 1884 nach New York, wo er dann einige Zeit später bereits seine erste Firma (Tesla Electric Light and Manufacturing Company 3 ) gründete. 1888 wurde der Grossindustrielle George Westinghouse 4 auf Nikola Tesla aufmerksam und sicherte sich die Rechte auf seine Patente. Von Juli 1888 bis Juli 1889 war Nikola Abbildung 1: Nikola Tesla Tesla mit den praktischen Realisierungen von Wechselspannungssystemen in Pittsburgh beschäftigt. Aus dieser Zeit stammt auch sein Patent, mit dem es möglich war, Gleichstrom zu Wechselstrom zu konvertieren. Im August 1889 reiste Nikola Tesla nach New York, um sich in ein Labor in der Grand Street einzurichten und sich mit hochfrequenten Wechselströmen zu befassen. In dieser Zeit wurde der Tesla-Transformator entwickelt. Mit diesen Transformatoren gab er des öfteren Vorstellungen, welche sehr stark besucht wurden. Infolge dessen wurde Nikola Tesla von William Arnold Anthony, dem damaligen Leiter des AIEE 5, dazu eingeladen, eine Vortrag am Columbia College zu halten 6. In Folge seiner Auftritte wurde Nikola Tesla sehr schnell bekannt, was ihm einige Vorteile brachte 7. 1899 baute Nikola Tesla ein Labor in Colorado Springs auf, um dort seine Experimente auf grösserem Raum durchzuführen, Doch zog er bereits 1900 wieder nach New York, ohne einen Gedanken an sein Labor zu verschwenden. Ab 1900 wurden Nikola Teslas Arbeiten sehr skurril. Sie wurden auch immer häufiger als Quellen für Parawissenschaften 8 referenziert. Er erhielt 1916 die AIEE Edison Medal 9 und in den 1930er Jahren erhielt er insgesamt 12 Ehrendoktorwürden. Nikola Tesla wurde am 8. Januar 1943 tot in seinem Zimmer des Hotels New Yorker 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Neben der Technischen Universität Wien eine der zwei technischen Universitäten in Österreich. Die Studienrichtung Elektrotechnik gab es zur damaligen Zeit noch nicht. Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/nikola_tesla ; Jahre von 1884 bis 1890 Erfinder der Druckluftbremse und Gegenspieler von Thomas Alva Edison American Institute of Electrical Engineers Dieser Vortrag wurde als Columbia Lecture bekannt Unter anderem die amerikanische Staatsbürgerschaft Besser bekannt als Pseudowissenschaften Älteste und begehrteste Medaille der USA im Gebiet der Elektronik Sacha Schönbächler Seite 4/14
aufgefunden. 10 3.2 Die Funktion einer Teslaspule Der von Nikola Tesla entwickelte Tesla-Transformator ist ein Hochspannungstransformator, der auf Resonanz basiert. Tesla wollte mit Hilfe dieses Gerätes eine drahtlose Energieübertragung ermöglichen. Seine Versuche dieses Vorhaben zu realisieren gipfelten im Wardenclyffe Tower 11, jedoch wurde dieser aus Geldmangel niemals fertiggestellt und 1917 abgerissen. Ein Tesla- Transformator erzeugt zwar starke elektromagnetische Wellen, diese können aber nur teilweise und auf kurze Distanz zurückgewonnen werden, da sich (trotz grosser Momentanleistung von einigen Megawatt) die mittlere Leistung im Watt- bis Kilowattbereich bewegt. Somit findet die Teslaspule heutzutage eigentlich keine Anwendungen mehr in der elektrischen Energietechnik 12. Tesla-Transformatoren werden noch zu Vorführungszwecken, da sich einige physikalische Effekte (z.b. Der Skin-Effekt 13 ) durch sie sehr eindrücklich veranschaulichen lassen, und als Musikinstrumente 14 benutzt. 10 Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/nikola_tesla 11 Riesiger Tesla-Transformator auf Long Island, New York 12 Fachgebiet der Elektrotechnik, welches sich mit der Übertragung, Speicherung Umwandlung, etc. Von elektrischer Energie befasst. 13 Der Skin-Effekt beschreibt das Verhalten von hochfrequenten Strömen. Diese wandern beinahe nur über die Oberfläche eines Leiters. 14 Die Teslaspule als Musikinstrument wird als Zeusaphone bezeichnet. Die Gruppe ArcAttack bedient sich Zeusaphones. Sacha Schönbächler Seite 5/14
3.3 Bau und Inbetriebnahme einer Teslaspule 3.3.1 Theoretischer Teil der Konstruktion Wenn man sich das Ziel setzt, eine Teslaspule zu bauen, beginnt alles mit der Planung. Man muss ein ganz klares Bild vor Augen haben. Wichtig ist es, einige Wunschwerte (Spannung, Funkenlänge, etc.) bereits im Kopf zu haben und sich danach zu richten. Weiter ist ist zu erwähnen, dass eine Teslaspule hochfrequente Ströme mit sehr grossen Spannungen erzeugen kann und deshalb mit dem nötigen Respekt behandelt werden muss. Der Bau wird sehr zeitintensiv und verschlingt ein beachtliches Budget, zumindest für einen Schüler. Ein Impulsteslatransformator besteht im Prinzip aus einem Schwingkreis, der aus einem Kondensator, einer Spule, genannt Primärspule, und einer Löschfunkenstrecke besteht (die Löschfunkenstrecke ist ein Unterbruch des Stromkreises, der erst bei einigen Kilovolt leitet). Ausserdem wird in die Primärspule wird eine zweite kernlose Spule, genannt Sekundärspule, gestellt. Die Sekundärspule ist geerdet und besitzt an ihrem oberen Ende eine torusförmige Elektrode. Abbildung 2: Schaltskizze einer Teslaspule Sacha Schönbächler Seite 6/14
3.3.2 Einzuhaltende Nennwerte Die Spannung, welche die Konstruktion speist, sollte zwischen 5 und 20 Kilovolt liegen, da ein Durchschlag der Luft bei der Löschfunkenstrecke möglich sein muss. Es ist zu beachten, dass ein Frequenzfilter vor den eigentlichen Schwingkreis einzuschalten ist, um das Netz von den hochfrequenten Strömen abzuschirmen. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser der Sekundärspule sollte zwischen 6:1 und 3:1 liegen. Zudem muss sie einlagig gewickelt werden und sollte aus einigen 100 Wicklungen bestehen Die Kondensatoren sollten eine Kapazität von 5 nf bis einigen 100 nf besitzen. Die Primärspule sollte einen deutlich grösseren Durchmesser haben als die Sekundärspule und aus 5 bis 15 Windungen bestehen. 15 3.3.3 Praktischer Teil der Konstruktion 3.3.3a Das Gehäuse Ich beschloss, dass meine Teslaspule grösstenteils in einem Plexiglaswürfel sein sollte,um damit Vorteile für den Transport und die Optik zu erhalten. Ich wähle einen Würfel mit der Kantenlänge von s = 0.25m. Dieser Würfel sollte in drei Ebenen eingeteilt werden, um die groben Komponenten (Spannungsquelle, Schwingkreis und Spulen) zu trennen. Die einzelnen Plexiglasplatten habe ich in den Ecken durch dicke, L-förmige Winkel miteinander verbunden. Da das Plexiglas 0.4cm dick ist, brauchte ich für Abbildung 3: Skizze des Plexiglaswürfels die Grundfläche und die beiden Ebenen drei Platten von 24x24cm, für die Mantelfläche vier Platten von 24.6x24.6cm und für die Deckfläche eine Platte von 25x25cm. Für eine saubere Kante müssen die einzelnen Mantelplatten an einer Seite bündig zur Bodenplatte sein und an der anderen Seite entsprechend der Dicke des Plexiglases über die Bodenplatte heraus schauen. Zu beachten ist, dass Plexiglas spröde ist und dass es bei Hitze zu schmelzen beginnt. Konkret heisst das, dass es, wenn es geschliffen wird, das Schleifpapier oder die Schleifmaschine selbst 15 Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/tesla-transformator ; Impulsteslatransformmator Sacha Schönbächler Seite 7/14
verkleben könnte. Allfällige Löcher für Schrauben, etc. müssen zuvor gebohrt werden, da sonst das Plexiglas splittern könnte. Zum Bohren ist es zu empfehlen, einen Metallbohrkopf zu verwenden, da es bei Holzbohrköpfen auch zu Sprüngen kommen könnte. Das stabilste und zugleich sauberste Ergebnis erhält man, wenn man Senkkopfschrauben verwendet und diese in zuvor gebohrte Senken vertieft. Plexiglas hat im Normalfall eine Schutzfolie. Diese sollte wenn möglich erst entfernt werden, wenn die Arbeit am jeweiligen Stück beendet ist. Falls es jedoch tiefere Kratzer geben sollte, sind diese mit Feingefühl und einem Bunsenbrenner zu entfernen. 3.3.3b Die Stromversorgung Für die Stromversorgung einer Teslaspule benötigt man eine Spannungsquelle von 5 bis 20kV. Ich entschied mich dafür, mit einer 15kV Spannungsquelle zu arbeiten. Am besten nimmt man dafür Zündtransformatoren von Ölbrennern, da diese geerdet sind und sie auf Anfrage oft umsonst erhältlich sind. Vom Bau eigener Transformatoren muss abgeraten werden, da dies sehr kostspielig ist und man keine Garantie hat, ob diese Transformatoren dann auch funktionieren. Die meisten Zündtransformatoren besitzen eine Sekundärspannung von 5kV, somit war es für mich notwendig, drei Zündtransformatoren seriell zusammenzuschalten. Dabei muss man darauf achten, dass die Wicklungsrichtung bei allen Trafos gleich ist, was sich experimentell leicht feststellen lässt. Man muss auf die Bezeichnungen auf den Trafos achten. Normalerweise ist darauf die maximale Betriebsdauer angegeben. In meinem Fall sind das drei Minuten. Sinnvoll ist es, einen Entstörungsfilter vor die Transformatoren zu schalten, um das Netz von der hochfrequenten Spannung des Schwingkreises zu schützen. 3.3.3c Die Löschfunkenstrecke Die Löschfunkenstrecke hat den Zweck eines Schalters. Zuerst lädt sich der Kondensator des Schwingkreis' mit einigen tausend Volt auf und erst wenn es zu einem Überschlag in der Löschfunkenstrecke kommt, entladet sich der Kondensator über die Spule des Schwingkreises. Bei einer Löschfunkenstrecke ist es wichtig, dass die Funken wieder erlöschen. Dafür kann man die eigentliche Funkenstrecke in mehrere Strecken unterteilen, da kurze Teilfunken nicht so heiss werden wie der volle Funken. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man die Funkenstrecke direkt kühlt (z.b. Mit einem Ventilator). Sacha Schönbächler Seite 8/14
3.3.3d Der Kondensator Der Kondensator ist neben der Spule der Hauptbestandteil des Schwingkreis'. Für meine Teslaspule habe ich diese nicht selbst gebaut. Prinzipiell ist es möglich, doch ist es sehr zeitaufwendig.dazu kommt noch, dass es schwierig abzuschätzen ist, welche Spannungen dieser selbstgebaute Kondensator dann aushalten wird. Da Kondensatoren mit grosser Kapazität sehr teuer werden können, kann es besser sein, mehrere Kondensatoren mit kleinerer Abbildung 4: Schaltskizze der Kapazität zu erwerben. Kondensatoren Ich verwendete vier Kondensatoren mit einer jeweiligen Kapazität von 0.25µF und einer maximalen Spannung von 15kV. Da man aber bei Eigenbauten immer ein gewisses Polster haben sollte, entschied ich mich dafür, jeweils zwei Kondensatoren seriell zu schalten und dann diese Zweierpakete dann noch parallel zu schalten. Durch die serielle Schaltung erhöhte sich die maximale Spannung auf das doppelte, doch werden bei Serienschaltungen die Kehrwerte der Kapazitäten zum Kehrwert der Gesamtkapazität addiert. ung 5: Serielle Addition der Kapazitäten Abbild Bei Parallelschaltungen werden die Kapazitäten linear addiert. Somit erhielt ich prinzipiell einen Kondensator mit 0.25µF für 30kV. 3.3.3e Die Spulen Primärspule: Die Primärspule sollte aus einem dicken Draht bestehen (d > 5mm) und einen deutlich grösseren Durchmesser haben als die Sekundärspule, da die Sekundärspule in die Primärspule gestellt wird. Ich nahm dafür einen Blitzableiterdraht aus Kupfer. Dieser ist bei einem Sanitär leicht zu erwerben. Meine Primärspule ist rechteckig und hat insgesamt acht Windungen. Sekundärspule: Für die Sekundärspule muss ein möglichst dünner, isolierter Draht verwendet werden.die Sacha Schönbächler Seite 9/14
Sekundärspule sollte aus möglichst vielen Windungen bestehen. Da Problem hierbei ist, dass die Sekundärspule einlagig gewickelt sein muss, d.h. der Draht der Spule darf nirgends gekreuzt werden. Er sollte auf ein hohles, nicht-leitendes Rohr gewickelt werden, welches keine Löcher in der Mantelfläche hat. Somit können Überschläge durch das Rohr vermieden werden. Vor dem Wickeln sollte das Rohr gut gereinigt werden. Wenn man den Draht um das Rohr gewickelt halt, sollte man die Sekundärspule mit Acryllack versiegeln, dass sie nicht erneut verschmutzen kann. Das untere Ende der Spule muss geerdet werden, wobei das obere oder auch heisse Ende in einer grossen Elektrode enden muss. Nikola Tesla verwendete torusförmige Elektroden, aber auch andere hohle Elektroden erfüllen ihren Zweck. Ich entschied mich für eine zylindrische Elektrode 3.3.4 Bestimmen der Resonanzfrequenz Der Primärschwingkreis muss annähernd dieselbe Resonanzfrequenz besitzen wie die Sekundärspule, welche einen 2. Schwingkreis bildet, weil die einzelnen Windungen eine kleine Kapazität besitzen. Um die Frequenz eines Schwingkreises zu berechnen ergibt sich hierfür diese Formel: Wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators beschreibt. Dadurch aber, dass der Schwingkreis selbstgebaute Komponenten enthält, ist es kaum möglich die Resonanzfrequenz rechnerisch exakt zu bestimmen. Der effektivste Weg diese zu bestimmen, ist es experimentell zu versuchen. Dafür wird die Primärspule an einem Ende fix in den Schwingkreis geschlossen und am anderen Ende mit einer Klemme befestigt. So kann man die Induktivität der Spule stufenlos variieren und auch die Frequenz damit ändern. Praktisch geht man so vor, dass man die Löschfunkenstrecke überbrückt und einen Signalgenerator sowie ein Oszilloskop anschliesst. Es werden verschiedene Frequenzen generiert und sobald eine starke Vergrösserung der Amplitude eintritt, hat man die Resonanzfrequenz erreicht. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz an der Sekundärspule wird wieder ein Oszilloskop und ein Signalgenerator angeschlossen. Man lässt verschiedene Frequenzen durchlaufen und sobald sich die Amplitude stark vergrössert, ist die Resonanzfrequenz wieder am Oszilloskop abzulesen. Jetzt müssen nur noch die beiden Resonanzen aufeinander abgestimmt werden. Da durch die Klemme die Induktivität und in deren Abhängigkeit auch die Frequenz variierbar ist, ist es einfacher den Primärschwingkreis auf die Sekundärspule abzustimmen. Allgemein ist zu beachten, dass bei der jeweiligen Bestimmung der Resonanzfrequenz so wenig Metall, oder sonstige elektrische Geräte, wie möglich in der Nähe sein sollten, da diese schnell als Dielektrikum wirken könnten. Sacha Schönbächler Seite 10/14
3.4 Probleme bei der Konstruktion Beim Wickeln der Sekundärspule wurde der Draht mit der Zeit immer schwerer zu erkennen, was letztendlich beim Zählen der Wicklungen eine gewisse Ungenauigkeit folgen lies. Der Blitzableiterdraht in der Primärspule war (mit seiner Stärke von ca. 5mm) nur schwer in Form zu bringen. Deshalb habe ich mich für eine rechteckige Spule entschieden, da ich bei dieser Form mit Schraubzwingen und Hammer einigermassen gleichmässige Windungen erhielt. Zuerst wollte ich selbst einen Trafo bauen, der direkt die Spannung von 230V auf 15kV transformiert. Jedoch musste ich feststellen, dass die Anzahl Windungen auf der Primärspule des Trafos bereits einige hundert Wicklungen erforderte. Deshalb war ich gezwungen, auf Zündtransformatoren von Ölheizungen auszuweichen. Einen Torus aus einem Drahtgitter zu formen, stellte sich als sehr schwierig heraus. Deshalb musste ich auf eine zylindrische Elektrode ausweichen. 3.5 Gefahren eines Tesla-Transformators Eine Teslaspule erzeugt sehr hohe Spannungen, welche zu schweren Verbrennungen führen könnten. Die Funken einer Teslaspule können brennbare Gegenstände entzünden. Der Schwingkreis enthält auch Ströme die mit 50Hz fliessen. Bei diesen Strömen tritt praktisch kein Skin-Effekt auf. Durch die Entladungen in der Luft entsteht Ozon sowie auch Stickoxide. Die Funken der Teslaspule strahlen UV-Licht ab. Bei grossen Spulen entsteht eine starke Lärmbelastung. Komplexe elektrische Geräte (z.b. Mobiltelefone, Fernseher, etc.) könnten durch die Teslaspule stark beschädigt werden. Sacha Schönbächler Seite 11/14
4. Reflexion Der Bau und die Inbetriebnahme meiner Teslaspule war schweisstreibend und erforderte viel Flexibilität. Er trieb mich an meine nervlichen Grenzen. Jedoch bin ich schlussendlich zufrieden mit meiner Leistung, obwohl ich einige Dinge hätte besser machen können. Die Terminplanung liess zu wünschen übrig, ausserdem ist eine Nachkalibrierung der Teslaspule notwendig. Sacha Schönbächler Seite 12/14
5. Quellenverzeichnis Webadressen: http://de.wikipedia.org/wiki/teslaspule (12.2.11 ; 19.35) http://de.wikipedia.org/wiki/schwingkreis (3.7.11 ; 13.35) http://de.wikipedia.org/wiki/nikola_tesla (16.9.11 ; 18:00) http://de.wikipedia.org/wiki/edison_medal (17.9.11 ; 17:40) Bilder: Titelbild: http://www.teslasociety.com/coil3.jpg (19.10.11 ; 09:30) Abb.1: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=datei:tesla3.jpg&filetimestamp=20100911090258 (17.9.11 ; 19:20) Abb. 2-4 : Selbst erstellte Grafik Abb. 5 : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/math/8/0/a/80a30a11251b0edac293627ef6701f64.png (2.10.11 ; 16.20) Sacha Schönbächler Seite 13/14
6. Eigenständigkeitserklärung Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Benutzung der angegebenen Quellen verfasst habe und ich auf eine eventuelle Mithilfe Dritter in der Arbeit ausdrücklich hinweise. Sacha Schönbächler Seite 14/14