Der Tesla-Transformator

(Kursstufe > Elektromagnetische Schwingungen und Wellen)

Aufbau

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  Links der Transformator mit Netzanschluss. In der Mitte die Funkenstrecke, dahinter die Leidener Flasche. Rechts die Primär- und Sekundärspule des Teslatranformators mit 12 und 2500 Windungen. Das Netzgerät auf der rechten Seite dient nur der Erdung.
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  Schaltplan 1: Der erste Schwingkreis (rot) besteht aus der Leidener Flasche ([math]\displaystyle{ C_1 }[/math]) und der Primärspule ([math]\displaystyle{ L_1 }[/math]) des Teslatrafos. Die Funkenstrecke dient als Schalter. Der zweite Schwingkreis besteht aus der Sekundärspule des Teslatrafos und der kleinen Metallkugel am oberen Ende als Kondensator.
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  Schaltplan 2: Der zweite Schwingkreis ist abstrakt als Spule ([math]\displaystyle{ L_2 }[/math]) und Kondensator ([math]\displaystyle{ C_2 }[/math]) dargestellt.
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  Schaltplan 3: Hier sieht man besser die beiden gekoppelten Schwingkreise mit der Funkenstrecke als Schalter.

Beobachtung

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  An der Metallkugel am Ende der Sekundärspule bilden sich violette Blitze. Die Leuchtstoffröhre beginnt in der Nähe der Sekundärspule zu leuchten.
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  An der Funkenstrecke sind blaue Blitze zu sehen. Es knattert sehr laut. Auch an der Leidener Flasche bilden sich Blitze.

Erklärung

Der Teslatrafo besteht aus zwei Schwingkreisen, die über ihre Spulen induktiv gekoppelt sind. Damit die Kopplung, also die Energieübertragung, gut funktioniert müssen beide Schwingkreise die gleiche Eigenfrequenz haben. Der erste Schwingkreis besteht aus der Leidener Flasche und den ca. 10 Windungen der primären Teslaspule. Der zweite Schwingkreis besteht aus der Sekundärspule des Teslatrafos und der kleinen Metallkugel am oberen Ende, welche auch eine geringe Kapazität gegenüber der Erde aufweist.

Durch die Wechselspannung wird der Kondensator des ersten Schwingkreises 100 mal in der Sekunde mit einer Hochspannung von bis zu fast [math]\displaystyle{ 15000\,\rm V }[/math] geladen.

So könnte der Spannungsverlauf an der Leidener Flasche ungefähr aussehen. (In rosa: Ladespannung ohne Schwingkreis.)

Dazu wird die Netzspannung mittels der beiden Spulen von 500 und 23000 Windungen hochtransformiert. (Diese Spannungen sind lebensgefährlich!)
Die Funkenstrecke dient dabei als automatischer Schalter: Die sinusförmige Wechselspannung steigt zu Beginn des Ladeprozesses an, die Funkenstrecke bildet noch keine Blitze und entspricht einem geöffnetem Schalter. Der Kondensator wird über die roten Kabel geladen. (Alle [math]\displaystyle{ 0{,}01\,\rm }[/math]Sekunden mit unterschiedlicher Polarität.) Übersteigt die Spannung und damit auch die elektrische Feldstärke die Durchschlagfestigkeit der Luft, so entsteht ein Blitz und die Luft wird leitend. Der "Schalter" und damit der Schwingkreis wird geschlossen.
Der primäre Schwingkreises schwingt nun frei mit einer Frequenz von einigen Kilohertz und ist mit dem zweiten Schwingkreis in Resonanz. Dadurch kann er den zweiten Schwingkreis gut anregen und seine Energie an ihn abgeben. Durch die ohmschen Widerstände, die Erzeugung der Blitze und durch die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen verlieren die Schwingkreise schnell an Energie, der Vorgang dauert nur einige Mikrosekunden.

Die große Anzahl von Windungen des zweiten Schwingkreises führen zu einer sehr hohen Spannungsamplitude und sehr hohen elektrischen Feldstärken.

Bei so großen Feldstärken entstehen Blitze durch Ionisation der Luft. Die Luft wird leitend und durch den Strom erhitzt, ein Plasma entsteht. Innerhalb des Plasmas werden die Leuchterscheinungen durch angeregte Gasatome erzeugt.

Innerhalb der Leuchtstoffröhre befindet sich Quecksilberdampf und Argon unter niedrigem Druck. Wie auch im normalen Betrieb werden die Gasmoleküle durch das elektrische Feld ionisiert und zum Leuchten angeregt.

Links

• Leybold: Teslatransformator technische Daten und keine Betriebsanleitung
  • Leybold Betriebsanleitung Teslatransformator 58745
• Video: Teslaspule, Demonstration und Erklärung youtube "Stephan Mueller"
• Tesla Downunder (Peter Terren) Viele selbstgebaute interessante Experimente zur Elektrizität mit Showeffekt.
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