TESLA-SPOEL: GESCHIEDENIS, HOE HET WERKT, WAAR HET VOOR IS - FYSIEK - 2024

De Tesla-spoel is een wikkeling die functioneert als hoogspanningsgenerator met hoge frequentie. Het werd uitgevonden door de natuurkundige Nikola Tesla (1856 - 1943), die het in 1891 patenteerde.

Magnetische inductie deed Tesla nadenken over de mogelijkheid om elektrische energie over te brengen zonder tussenkomst van geleiders. Daarom was het idee van de wetenschapper en uitvinder om een ​​apparaat te maken dat zou dienen om elektriciteit over te dragen zonder kabels te gebruiken. Het gebruik van deze machine is echter erg inefficiënt, dus werd deze voor dit doel binnenkort verlaten.

Figuur 1. Demonstratie met de Tesla-spoel. Bron: Pixabay.

Toch zijn Tesla-spoelen nog steeds te vinden met enkele specifieke toepassingen, zoals in masten of in natuurkundige experimenten.

Geschiedenis

De spoel is gemaakt door Tesla kort nadat de experimenten van Hertz aan het licht kwamen. Tesla noemde het zelf "apparaat voor het verzenden van elektrische energie". Tesla wilde bewijzen dat elektriciteit draadloos kon worden overgedragen.

In zijn laboratorium in Colorado Springs had Tesla de beschikking over een enorme spoel van 16 meter die aan een antenne was bevestigd. Het apparaat werd gebruikt om experimenten met energietransmissie uit te voeren.

Experimenteer met Tesla-spoelen.

Een keer was er een ongeval veroorzaakt door deze spoel waarbij dynamo's van een energiecentrale op 10 kilometer afstand werden verbrand. Als gevolg van de storing ontstonden elektrische bogen rond de wikkelingen van de dynamo's.

Dat ontmoedigde Tesla niet, die bleef experimenteren met talloze spoelontwerpen, die nu onder zijn naam bekend staan.

Hoe werkt het?

De beroemde Tesla-spoel is een van de vele ontwerpen die Nikola Tesla maakte om elektriciteit draadloos over te brengen. De originele versies waren groot van formaat en gebruikten hoogspannings- en hoogstroombronnen.

Tegenwoordig zijn er natuurlijk veel kleinere, compacte en zelfgemaakte ontwerpen die we in de volgende sectie zullen beschrijven en uitleggen.

Figuur 2. Schematische voorstelling van de basis Tesla-spoel. Bron: zelf gemaakt.

Een ontwerp gebaseerd op de originele versies van de Tesla-spoel is weergegeven in de bovenstaande afbeelding. Het elektrische schema in de vorige afbeelding kan in drie secties worden verdeeld.

Bron (F)

De bron bestaat uit een wisselstroomgenerator en een transformator met hoge versterking. De bronuitvoer ligt doorgaans tussen 10.000 V en 30.000 V.

Eerste LC 1 resonantiecircuit

Het bestaat uit een schakelaar S die bekend staat als "Spark Gap" of "Explosor", die het circuit sluit wanneer een vonk tussen zijn uiteinden springt. De LC kring 1 heeft ook een condensator C1 en een spoel L1 in serie geschakeld.

Tweede resonantiecircuit LC 2

De LC kring 2 bestaat uit een spoel L2 met een wikkelverhouding van circa 100: 1 ten opzichte van spoel L1 en een condensator C2. Condensator C2 is via aarde verbonden met spoel L2.

De L2-spoel is meestal een draad die is gewikkeld met een isolerend email op een buis van niet-geleidend materiaal zoals keramiek, glas of plastic. Spoel L1 is, hoewel niet zo weergegeven in het diagram, op spoel L2 gewikkeld.

Condensator C2 bestaat, zoals alle condensatoren, uit twee metalen platen. Bij Tesla-spoelen heeft een van de C2-platen meestal de vorm van een bolvormige of toroïdale koepel en is deze in serie verbonden met de L2-spoel.

Het andere bord van C2 is de nabije omgeving, bijvoorbeeld een metalen voetstuk afgewerkt in een bol en verbonden met aarde om het circuit te sluiten met het andere uiteinde van L2, ook verbonden met aarde.

Werkingsmechanisme

Wanneer een Tesla-spoel wordt ingeschakeld, laadt de hoogspanningsbron condensator C1 op. Wanneer deze een voldoende hoge spanning bereikt, maakt hij een vonksprong in schakelaar S (vonkbrug of explosor), waardoor de resonantiekring I wordt gesloten.

Dan ontlaadt de condensator Cl via de spoel L1 en genereert een variabel magnetisch veld. Dit variabele magnetische veld loopt ook door spoel L2 en wekt een elektromotorische kracht op op spoel L2.

Omdat L2 ongeveer 100 slagen langer is dan L1, is de elektrische spanning over L2 100 keer groter dan die over L1. En aangezien in L1 de spanning in de orde van 10.000 volt is, zal het in L2 1 miljoen volt zijn.

De magnetische energie die in L2 is verzameld, wordt als elektrische energie overgebracht naar de condensator C2, die, wanneer deze maximale spanningswaarden in de orde van een miljoen volt bereikt, de lucht ioniseert, een vonk produceert en abrupt door de aarde wordt ontladen. Ontladingen komen tussen 100 en 150 keer per seconde voor.

Het LC1-circuit wordt resonant genoemd omdat de geaccumuleerde energie in de condensator C1 naar de spoel L1 gaat en vice versa; dat wil zeggen, er treedt een oscillatie op.

Hetzelfde gebeurt in de resonantiekring LC2, waarin de magnetische energie van de spoel L2 als elektrische energie wordt overgedragen aan de condensator C2 en vice versa. Dat wil zeggen dat in het circuit afwisselend een retourstroom wordt opgewekt.

De natuurlijke oscillatiefrequentie in een LC-circuit is

Resonantie en wederzijdse inductie

Wanneer de energie die aan de LC-circuits wordt geleverd, plaatsvindt met dezelfde frequentie als de natuurlijke oscillatiefrequentie van het circuit, dan is de energieoverdracht optimaal, waarbij een maximale versterking in de circuitstroom wordt geproduceerd. Dit fenomeen dat alle oscillerende systemen gemeen hebben, staat bekend als resonantie.

De LC1- en LC2-circuits zijn magnetisch gekoppeld, een ander fenomeen dat wederzijdse inductie wordt genoemd.

Voor een optimale energieoverdracht van het LC1-circuit naar de LC2 en vice versa, moeten de natuurlijke oscillatiefrequenties van beide circuits overeenkomen, en ze moeten ook overeenkomen met de frequentie van de hoogspanningsbron.

Dit wordt bereikt door de capaciteits- en inductantiewaarden in beide circuits aan te passen, zodat de oscillatiefrequenties samenvallen met de bronfrequentie:

Wanneer dit gebeurt, wordt het vermogen van de bron efficiënt overgebracht naar het LC1-circuit en van LC1 naar LC2. In elke oscillatiecyclus neemt de elektrische en magnetische energie die in elk circuit wordt verzameld toe.

Is de elektrische spanning over C2 hoog genoeg, dan komt er energie vrij in de vorm van bliksem door C2 te ontladen naar aarde.

Tesla-spoel gebruikt

Tesla's oorspronkelijke idee bij zijn experimenten met deze spoelen was altijd om een ​​manier te vinden om elektrische energie over lange afstanden over te brengen zonder bedrading.

Het lage rendement van deze methode als gevolg van energieverliezen door verspreiding door de omgeving maakte het echter noodzakelijk om andere middelen te zoeken om elektrische energie over te dragen. Tegenwoordig wordt nog steeds bedrading gebruikt.

Plasmalamp, die hielp bij het ontwikkelen van Tesla's experiment.

Veel van Nikola Tesla's originele ideeën zijn echter nog steeds aanwezig in de huidige bedrade transmissiesystemen. Zo zijn step-up transformatoren in elektrische onderstations voor transmissie over kabels met minder verliezen en step-down transformatoren voor distributie in woningen door Tesla bedacht.

Ondanks dat ze niet op grote schaal worden gebruikt, blijven Tesla-spoelen nuttig in de elektrische hoogspanningsindustrie voor het testen van isolatiesystemen, torens en andere elektrische apparaten die veilig moeten functioneren. Ze worden ook gebruikt in verschillende shows om bliksem en vonken te genereren, evenals in sommige natuurkundige experimenten.

Bij hoogspanningsexperimenten met grote Tesla-spoelen is het belangrijk om veiligheidsmaatregelen te nemen. Een voorbeeld is het gebruik van kooien van Faraday voor de bescherming van waarnemers en pakken van metaalgaas voor artiesten die met deze haspels deelnemen aan shows.

Hoe maak je een zelfgemaakte Tesla-spoel?

Componenten

In deze miniatuurversie van de Tesla-spoel wordt geen wisselstroombron met hoge spanning gebruikt. Integendeel, de stroombron is een 9 V-batterij, zoals weergegeven in het diagram in figuur 3.

Figuur 3. Schematische voorstelling om een ​​mini Tesla-spoel te bouwen. Bron: zelf gemaakt.

Het andere verschil met de originele Tesla-versie is het gebruik van een transistor. In ons geval is dat de 2222A, een NPN-transistor met een laag signaal, maar met een snelle respons of een hoge frequentie.

Het circuit heeft ook een schakelaar S, een primaire spoel met 3 slagen L1 en een secundaire spoel L2 van minimaal 275 slagen, maar het kan ook tussen de 300 en 400 slagen zijn.

De primaire spoel kan worden gebouwd met een gewone draad met plastic isolatie, maar voor de secundaire spoel is een dunne draad nodig die is bedekt met isolerende vernis, die meestal wordt gebruikt in wikkelingen. Het wikkelen kan op een kartonnen of plastic buis met een diameter tussen de 3 en 4 cm.

Met behulp van de transistor

Er moet aan worden herinnerd dat er in de tijd van Nikola Tesla geen transistors waren. In dit geval vervangt de transistor de "vonkbrug" of "explosor" van de originele versie. De transistor zal worden gebruikt als een poort die al dan niet de doorgang van stroom toelaat. Hiervoor is de transistor als volgt gepolariseerd: de collector c naar de pluspool en de emitter e naar de minpool van de batterij.

Wanneer de basis b een positieve polarisatie heeft, laat het de stroom van de collector naar de emitter door, en anders verhindert het dit.

In ons schema is de basis verbonden met de plus van de batterij, maar is een weerstand van 22 kilo ohm ingebracht om de overtollige stroom die de transistor kan verbranden te beperken.

Het circuit toont ook een LED-diode die rood kan zijn. Zijn functie zal later worden uitgelegd.

Aan het vrije uiteinde van de secundaire spoel L2 wordt een kleine metalen bal geplaatst, die kan worden gemaakt door een bal van piepschuim of een pinpongbal met aluminiumfolie te bedekken.

Deze bol is de plaat van een condensator C, de andere plaat is de omgeving. Dit is wat bekend staat als parasitaire capaciteit.

Hoe de Mini Tesla Coil werkt

Wanneer schakelaar S gesloten is, is de basis van de transistor positief voorgespannen en ook het bovenste uiteinde van de primaire spoel is positief voorgespannen. Er verschijnt dus abrupt een stroom die door de primaire spoel gaat, door de collector gaat, de zender verlaat en terugkeert naar de batterij.

Deze stroom groeit in zeer korte tijd van nul naar een maximale waarde en wekt daarom een ​​elektromotorische kracht op in de secundaire spoel. Dit produceert een stroom die van de onderkant van de L2-spoel naar de basis van de transistor gaat. Deze stroom stopt abrupt de positieve polarisatie van de basis, zodat de stroom door de primaire stops loopt.

In sommige versies is de LED-diode verwijderd en werkt het circuit. Het plaatsen ervan verbetert echter de efficiëntie bij het afsnijden van de basisvoorspanning van de transistor.

Wat gebeurt er als de stroom circuleert?

Tijdens de cyclus van snelle stroomgroei in het primaire circuit werd een elektromotorische kracht opgewekt in de secundaire spoel. Aangezien de verhouding van windingen tussen primair en secundair 3 tot 275 is, heeft het vrije uiteinde van spoel L2 een spanning van 825 V ten opzichte van aarde.

Vanwege het bovenstaande wordt een intens elektrisch veld geproduceerd in de bol van condensator C die in staat is om het gas bij lage druk te ioniseren in een neonbuis of fluorescentielamp die de bol C nadert en de vrije elektronen in de buis te versnellen. om de atomen te exciteren die de lichtemissie produceren.

Wanneer de stroom abrupt ophield door spoel L1 en spoel L2 ontladen door de lucht rondom C naar de grond, wordt de cyclus opnieuw gestart.

Het belangrijkste punt bij dit type schakeling is dat alles in zeer korte tijd gebeurt, zodat je een hoogfrequente oscillator hebt. In dit type schakeling is de flutter of snelle oscillatie geproduceerd door de transistor belangrijker dan het resonantieverschijnsel dat in de vorige sectie is beschreven en verwijst naar de originele versie van de Tesla-spoel.

Voorgestelde experimenten met mini Tesla-spoelen

Als de Tesla-minispoel eenmaal is gebouwd, is het mogelijk om ermee te experimenteren. Het is duidelijk dat de bliksem en vonken van de originele versies niet zullen worden geproduceerd.

Met behulp van een fluorescentielamp of een neonbuis kunnen we echter waarnemen hoe het gecombineerde effect van het intense elektrische veld dat wordt gegenereerd in de condensator aan het einde van de spoel en de hoge oscillatiefrequentie van dat veld, de lamp maken licht op terwijl het de condensorbol nadert.

Het sterke elektrische veld ioniseert het gas onder lage druk in de buis, waardoor er vrije elektronen in het gas achterblijven. De hoge frequentie van het circuit zorgt er dus voor dat de vrije elektronen in de fluorescerende buis versnellen en het fluorescerende poeder exciteren dat aan de binnenwand van de buis kleeft, waardoor het licht uitzendt.

U kunt ook een lichtgevende LED dichter bij bol C brengen en observeren hoe deze oplicht, zelfs als de LED-pinnen niet zijn aangesloten.

Referenties

1. Blake, T. Tesla-spoeltheorie. Hersteld van: tb3.com.
2. Burnett, R. Werking van de Tesla-spoel. Hersteld van: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. MacGraw Hill. 626-628.
4. Universiteit van Wisconsin-Madison. Tesla-spoel. Hersteld van: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla-spoel. Hersteld van: wikiwand.com.