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TUM School of Natural Sciences |
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Tesla Transformator
Kurzbeschreibung
Ein Tesla-Transformator ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Transformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme mit sehr hoher Spannung; bis zu mehreren Megavolt sind möglich.
Betriebsanleitungen: Elektrogeräte, Teslatransformator
Vorsicht!
Die Spannungen, die bei diesem Versuch auftreten, sind lebensgefährlich!
Deshalb während des Versuchs nicht in die Schaltung greifen!
Aufbau:
Der TT setzt sich zusammen aus zwei Schwingkreisen, die schwach miteinander gekoppelt und in ihren
Resonanzfrequenzen aufeinander abgestimmt sind.
Die Spannungsversorgung des primären Schwingkreises bilden zwei Spulen (500 bzw. 23000 Windungen), welche
die Netzspannung von 230V/50Hz auf 11580V/50Hz transformieren. Der Primärschwingkreis selbst besteht aus
einer Funkenstrecke, einem Kondensator und einer Spule; der Sekundärschwingkreis aus der Teslaspule,
also einer Induktivität und ihrer Eigenkapazität.
Durchführung und Beobachtung:
Am Trafo wird Netzspannung von 230V/50Hz angelegt. Die Überschläge der Funkenstrecke sind durch kleine Lichtblitze sichtbar; die Entladungen der Teslaspule in die Luft manifestieren sich in hellblau bis lila leuchtenden Blitzen am oberen, „heißen“ Ende der Sekundärinduktivität.
Erklärung:
Die hohen Spannungen erzielt man über ein Zusammenspiel aus dem Spulenübersetzungsverhältnis
zwischen Primär- und Sekundärspule und der Resonanz der beiden Schwingkreise:
Legt man die Netzspannung an, so wird der Kondensator durch den vom Trafo kommenden Strom geladen. Die selbe
hochtransformierte Spannung liegt auch an der Funkenstrecke an, die dadurch ihre Durchbruchspannung erreicht
und überschlägt; ein Kurzschluss entsteht, der dazu führt, dass der Kondensator nicht länger
an den 11kV anliegt, sich also entlädt, und der Primärkreis eine gedämpfte Schwingung ausführt.
Die Dämpfung führt zur Verminderung der Spannung im Primärkreis, weswegen die Funkenstrecke wieder
verlöscht und sich der Kondensator neu auflädt. Die Funkenstrecke dient also als Schalter zwischen
Spannungsquelle und Schwingkreis.
In der Primärspule entsteht dabei ein magnetisches Wechselfeld, das den Sekundärkreis induktiv ebenfalls
zur Schwingung anregt; die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise sind durch die Geometrie ihrer Bestandteile
(Windungszahlen, Materialien) aufeinander abgestimmt, so dass nicht nur das Übersetzungsverhältnis
der beiden Induktivitäten, sondern ebenfalls die Resonanzanregung der Teslaspule durch die Primärspule
zur Erzeugung der hohen Spannungen im Sekundärkreis beitragen. Dabei können die Spannungswerte mehrere
Megavolt erreichen, was zu Überschlägen in die Luft in Form der lila Blitze führt.
Die Energie im Sekundärkreis kann jedoch aufgrund des rechtzeitigen Erlöschens der Funkenstrecke
nicht mehr induktiv in den Primärkreis zurückfließen.
Skin-Effekt:
Als Skin-Effekt bezeichnet man das Phänomen, dass der durch die hochfrequente Spannung erzeugte Strom
nur an der Oberfläche des Leiters fließt. Durch die hohe Frequenz erhöht sich die Magnetfeldstärke
im Inneren des Leiters (schnelle Frequenz «-» schnelle Stromänderung «-» stärkeres
Magnetfeld) und die so erzeugten starken Wirbelströme drängen die Elektronen in Abhängigkeit von
der Höhe der Frequenz mehr oder weniger stark nach außen.
Da beim Tesla-Transformator die Frequenzen am oberen Ende der Teslaspule einige 10 bis 100 kHz erreichen, kann man
die Blitzentladungen sogar berühren, da der Strom aufgrund des Skin-Effekts nur an der unmittelbaren
Oberfläche der Haut abfließt.
