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Tesla-Transformator
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Ein Tesla-Transformator (auch als Teslaspule bezeichnet) ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Transformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme mit sehr hoher Spannung. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Resonanz magnetisch lose gekoppelter elektrischer Schwingkreise.
Nikola Teslas Ziel war es, drahtlos elektrische Energie zu übertragen. Dazu eignet sich der Tesla-Transformator zwar nicht – er erzeugt jedoch auch elektromagnetische Wellen erheblicher Leistung.
Teslatransformatoren in der hier beschriebenen Form dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung hoher elektrischer Wechselfelder.
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Warnhinweise
Sollte man beabsichtigen, sich eine Teslaspule selbst zu bauen oder in Betrieb zu nehmen, so ist es unabdingbar, sich zunächst mit der Physik und dem Gefährdungspotential einer solchen Anlage vertraut zu machen. Folgende Gefahren bestehen während des Betriebes einer Teslaanlage:
- Verbrennungen leichten und mittleren Grades,
- Herzschäden sowie neuronale Schäden bei Anlagen ohne hinreichende Wechselstrom-Frequenz und das daraus resultierende Nicht-Eintreten des sogenannten Skin-Effekts (bei üblichen Frequenzen beträgt die Eindringtiefe ca. 1,50m),
- und: Das Entstehen von Röntgenbremsstrahlung, wenn die Blitze der aktivierten Teslaanlage gegen Metall treffen. Die recht hohe Dosis an Röntgenstrahlung kann bei regelmäßigem Betrieb durchaus schädlich sein.
Deswegen sollte man stets einen hinreichenden Sicherheitsabstand zu einer Teslaanlage halten! Siehe dazu auch: Elektrischer Schwingkreis, Thomsonsche Schwingungsgleichung und Wechselstrom
Aufbau
Die Kopplung erfolgt bei Tesla-Transformatoren nicht über einen Eisenkern wie bei konventionellen Transformatoren, sondern über Luft: eine einlagig gewickelte lange Zylinderspule geringeren Durchmessers mit einigen 100 bis 1000 Windungen (Sekundärspule) liegt im Feld einer kurzen Spule größeren Durchmessers mit wenigen Windungen (Primärspule). Man erreicht dadurch einen ausreichenden Isolationsabstand insbesondere zum sogenannten „heißen“ Ende der Sekundärspule - meist dem oberen Teil, welches gegenüber dem Erdpotential eine hohe Wechselspannung führt.
Die einlagige gleichmäßige Bewicklung der Sekundärspule bewirkt eine Feldsteuerung (gleichmäßiger elektrischer Feldverlauf), sodass Vorentladungen entlang dieser Spule vermieden werden. Das nach oben ansteigende elektrische Feld bedingt auch die Form der Primärspule, die unten nahe an der Sekundärspule liegen darf, sich nach oben jedoch konisch weitet.
Bei großen Anlagen kann die Ausgangsspannung mehrere Megavolt erreichen. Die hochfrequente Wechselspannung (einige 10 bis einige 100 kHz) am „heißen“ Ende (bzw. am daran angebrachten Toroid) der Sekundärspule erzeugt bei großen Anlagen meterlange blauweißliche Entladungen (sogenannte Streamer). Das untere („kalte“) Ende der Sekundärspule muss über eine ausreichende Kapazität oder direkt mit Erdpotential verbunden sein. Der Schutzleiter des Stromnetzes ist hierfür aufgrund der hohen Störemissionen von Teslatrafos und dessen Induktivität allein nicht ausreichend.
Es wird zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterschieden: Impuls- und Trägerteslatransformator; der Impulsteslatransformator ist die bekanntere Bauart. Beide beruhen auf der Anregung der Eigenresonanz der Sekundärspule. Sie unterscheiden sich dadurch, dass die Anregung im einen Fall impulsartig und im anderen kontinuierlich erfolgt.
Impulsteslatransformator
In einem Schwingkreis, bestehend aus einer Funkenstrecke (Pfeile im Bild; sie verbindet bei Zündung die Komponenten zu einem Schwingkreis), einem Kondensator und einer primären Spule mit wenigen Windungen, erzeugt man gedämpfte elektrische Hochfrequenzschwingungen sehr hoher Momentanleistung bis in den Megawattbereich. Befinden sich Primär- und Sekundärkreis in Resonanz, so entsteht an der sekundären Spule eine Hochspannung, jedoch ist das Windungszahlverhältnis von primärer und sekundärer Spule beim Teslatransformator allein nicht für die Transformation der Eingangsspannung verantwortlich. Es entsteht vielmehr eine Spannungsüberhöhung, die dadurch hervorgerufen wird, dass im sekundären Schwingkreis (gebildet durch die Sekundärspule und deren Eigenkapazität) die Kapazität relativ klein ist. Diese besteht aus der Eigenkapazität der Sekundärspule und dem Toroid gegenüber der Erde gebildet.
Idealerweise verlöscht die Funkenstrecke der primären Erregung, sobald alle Energie auf die Sekundärspule übertragen wurde.
Man kann im Schaltbild auch Kondensator und Funkenstrecke vertauschen, so dass der Kondensator parallel zu Spannungsversorgung steht. Diese Variante hat den Vorteil, dass der speisende Transformator (Wechselspannungssymbol links im Bild) bei Zündung der Funkenstrecke nicht vollständig kurzgeschlossen wird.
Impulsteslatransformatoren werden üblicherweise mit einem am Stromnetz betriebenen 50-Hz-Hochspannungstransformator betrieben. Ausgangsspannungen zwischen 5 und 30 kV sind üblich.
Es gibt auch Varianten von Tesla-Anlagen, die zur Speisung keinen netzfrequenten Hochspannungstransformator benötigen. Sie bestehen beispielsweise aus einem mit Thyratrons, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder Thyristoren realisierten Impulsgenerator. Diese Technik ist sehr aufwendig und kostspielig, verspricht aber reproduzierbaren, verschleißfreien Betrieb. Durch die Möglichkeit der elektronischen Steuerung kann man die Schaltvorgänge exakt bestimmen und so eine sehr viel höhere Effizienz erreichen, als sie mit Funkenstrecken zu erreichen ist.
Träger-Teslatransformator
Träger-Teslatransformatoren sind prinzipiell ebenso aufgebaut wie Impuls-Teslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator (Halbleiter- oder Röhrentechnik). Dieser muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden.
Trotz kontinuierlichem Betrieb lassen sich weniger lange Büschelentladungen erzeugen - der Leistungsbedarf zur Ionisierung und Erzeugung der Entladungen steigt mit der Spannung erheblich an und lässt sich leichter im Impulsbetrieb aus einem Kondensator bereitstellen.
Ein weiterer Grund für die geringere Verbreitung ist das Risiko einer Fehlanpassung des Generators bei wechselnden Resonanzbedingungen und damit die Gefahr seiner Überlastung.
Bekannte Tesla-Anlagen
Electrum, die größte noch in Betrieb stehende Anlage steht in Auckland, Neuseeland. Sie hat eine Leistung von 130kW und eine Höhe von ca. 12 Metern. Unter voller Leistung entstehen Blitze mit einer Länge von 15 Metern. Electrum steht auf Privatgrund und kann daher nicht mehr besichtigt werden.
Der gößte konische Tesla-Tranformator der Welt ist im Mid America Science Museum in Hot Springs, Arkansas zu besichtigen. Diese Trafo-Anordnung kann Spannungen bis zu 1,5 Megavolt erzeugen.
Am Wiener Bundesgymnasium und Bundesrealgymnasium Rosasgasse 12 in Meidling (Österreich) wurde 1995 unter der Leitung von Erwin Kohaut und einigen Schülern und Absolventen eine mittelgroße Anlage im Rahmen eines Schulprojektes gebaut.
Eine weitere Tesla-Anlage kann auch im Technorama in Wintherthur (Schweiz) besichtigt werden.
Es gibt etliche Teslatrafoprojekte von Hobbyenthusiasten (engl. tesla coiler), aber auch professionelle Shows.
Tesla-Anlagen in Film und Fiktion
Erwähnung findet der Teslatransformator in den Filmen Coffee and Cigarettes, The Prestige, ebenso in den Computerspielen Command & Conquer: Alarmstufe Rot I/II, dem Videospiel "Tomb Raider: Legend" und der Hörspielserie Offenbarung 23: Folge 11 „Die Hindenburg“.
Elektrostimulation
Auch die im Rahmen von Erotische Elektrostimulation häufig eingesetzten und ursprünglich von Tesla selbst entwickelten und vertriebenen Violet Wands basieren auf dieser Technik.
Kirlianfotografie
Für die Kirlianfotografie wird gerne ein kleiner Tesla-Transformator bemüht, von dessen Stärke angenommen wird, dass er für das Zielobjekt ungefährlich ist.
Technische Bedeutung
Der Aufbau des Tesla-Transformator ähnelt stark dem Konzept von frühen Funkanlagen nach Marconi und anderen, insbesondere dem Knallfunkensender und dem Löschfunkensender, die aufgrund ihrer großen Bandbreite in den 1920er verboten wurden. Das Gerät ist durch seine typischen Blitzentladungen durchaus ebenso geeignet den Funkbetrieb zu stören, hat jedoch eine verhältnismäßig kurze Funkendauer so dass es mit dem Auftreten von natürlichen Effekten durchaus vergleichbar ist. In großem Maßstab nutzbringende Anwendungen gibt es für dieses Gerät nicht, so dass es auch in der zeitgenössischen Lehre speziell bei den Ingenieurswissenschaften in der Regel nicht berücksichtigt wird. Es handelt sich also im weitesten Sinne des Wortes um einen eindrucksvollen aber nutzlosen Anlagen-Exoten aus der Pionierphase der neuzeitlichen Elektrotechnik.
Literatur
- Günter Wahl: Lernpaket Tesla-Energie Franzis-Verlag Januar 2005, ISBN 3-7723-5210-3
- Günter Wahl: Tesla Energie. Franzis-Verlag 2000, ISBN 3-7723-5496-3
Weblinks
- JavaScript zur Berechnung eigener Teslaspulen
- viele Infos zur Funktion und zum Selbstbau von Teslatrafos
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