Come progettare una bobina di Tesla – EDM Electronics Design Master

L’elettricità è spesso magica e misteriosa, ma per Tesla non lo era. Quando gli esseri umani non conoscevano l’elettricità, molti fenomeni naturali apparivano come fatti soprannaturali causati dagli dei arrabbiati con l’umanità. Fortunatamente, oggi le persone conoscono le leggi della fisica e possono facilmente lavorarci in base alle loro esigenze.

Introduzione

Una bobina di Tesla è un circuito oscillante composto da due circuiti LC, induttivamente accoppiato. In altre parole, è un trasformatore con circuito primario e secondario, che può aumentare la tensione elettrica per produrre grandi scintille. In condizioni normali, l’aria può essere considerata un isolante. Una tensione applicata tra due punti isolati non fa fluire corrente. All’aumentare della tensione, il campo elettrico può diventare abbastanza forte da conservare l’energia per ionizzare altre particelle. Il fenomeno si amplifica con un progressivo aumento degli ioni in movimento. Quando l’area si riscalda, viene creata una corrente elettrica che ionizza ulteriormente l’aria. Viene creato un canale del gas altamente ionizzato, che funge da conduttore elettrico e può resistere a un arco elettrico. La scintilla ha un bagliore intenso su un percorso a zigzag con un suono di detonazione in brevissimo tempo. Un lampo è una scintilla di grande intensità. Per accendere la scintilla, il campo elettrico deve superare la soglia di rigidità del dielettrico. Per l’aria standard è di circa 3 kV/mm, ma diminuisce leggermente con l’umidità. Per produrre una scintilla lunga 10 cm è necessario fornire una tensione di circa 300.000 volt (300 kV).

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Lunghezza della scintilla

Con questa formula molto generale è possibile possibile misurare la tensione tra due conduttori e misurare la lunghezza delle scintille. Quando viene applicata una differenza di potenziale tra due elettrodi, si crea un campo elettrico:

E = V * d

dove “V” è la tensione e è “d ‘ è la distanza tra gli elettrodi. Ogni materiale ha un valore, il punto di rottura, che rappresenta il campo elettrico minimo necessario per accendere una scintilla. Per produrre una scintilla di 1 cm, è necessario applicare 30 kV. Per trovare la tensione tra due elettrodi è sufficiente moltiplicare la lunghezza della scintilla (in centimetri) per 30 kV ad una temperatura di 25°C con aria secca. Questo metodo funziona con due elettrodi sferici. Il valore può variare a seconda della pressione e dell’umidità. Come mostrato nella Figura 1, è davvero difficile creare grandi scintille. Per una scintilla di 10 cm è necessaria una tensione di 300.000 volt e per una scintilla di mezzo metro è necessario fornire circa 1.500.000 volt. Davvero molto pericoloso. È davvero impressionante come la natura possa creare fulmini molto grandi con miliardi di volt.

Come funziona?

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Abbiamo detto che una bobina di Tesla creata da Nikola Tesla è uno speciale trasformatore risonante con due bobine accoppiate. Un trasformatore a bobina di Tesla funziona in modo diverso rispetto a un tradizionale trasformatore con nucleo in ferro. In un trasformatore convenzionale, le due bobine producono un guadagno di tensione che dipende dal rapporto tra il numero di spire. Con una bobina di Tesla, invece, il guadagno può essere molto maggiore perché proporzionale a:

Il giusto bilanciamento tra ogni parte permette un accoppiamento in grado di generare un’onda elettromagnetica che una lampada può accendere con luminescenza. Ha un nucleo d’aria. La sua frequenza operativa è compresa tra 50 kHz e 30 MHz. La bobina trasferisce energia dal lato primario al lato secondario. La tensione generata sul lato secondario aumenta fino a quando tutta l’energia del circuito primario è stata trasferita al lato secondario. Il sistema si basa su un gruppo RLC e un generatore di onde sinusoidali, come mostrato nella Figura 2. Un circuito RLC è un circuito elettrico costituito da un resistore (R), un induttore (L) e un condensatore (C) collegati in serie. Il trasformatore d’aria aumenta la tensione di ingresso di 100 volte per produrre un’alta tensione. Dopo alcuni secondi, la tensione è sufficientemente alta da attivare lo spinterometro. Il condensatore e la bobina primaria del secondo trasformatore formano quindi un circuito oscillante. La bobina del trasformatore secondario è collegata a un nucleo toroidale che è il condensatore con messa a terra. Forma anche un circuito oscillante con la stessa frequenza di risonanza. L’energia viene gradualmente trasferita dal primo circuito al secondo, quindi lo spinterometro smette di condurre, lasciando tutta l’energia nel circuito toroidale. Una volta che lo spinterometro smette di condurre, ci vuole del tempo prima che la tensione si accumuli abbastanza per attivarlo di nuovo.

L’esempio in figura è costituito da un resistore da 10 ohm (determina il fattore Q del circuito), un condensatore da 47 pF e un induttore da 20 mH. Per calcolare la frequenza di risonanza del circuito (164155,78 Hz nell’esempio), è possibile utilizzare la formula mostrata nel riquadro. Se il circuito RLC è alimentato esattamente alla sua frequenza di risonanza, la tensione ai capi dell’induttore sarà molto più alta di quella vista all’ingresso. In queste condizioni, il circuito del generatore di tensione è un carico completamente resistivo. Per queste caratteristiche possiamo capire che la costruzione delle bobine non può essere casuale ma deve essere il risultato di calcoli e formule precisi e accurati.

Schema generale

La Figura 3 mostra uno schema generale ma perfettamente funzionante di una bobina di Tesla. Lo spinterometro e il condensatore (serbatoio) possono essere montati in due diverse configurazioni. Illustriamo i componenti. La costruzione non è difficile, ma richiede attenzione.

Il trasformatore T1 aumenta e aumenta la tensione di ingresso a circa 10 kV. Questo componente è comunemente usato per illuminare i cartelloni pubblicitari al neon. Non è possibile utilizzare un trasformatore convenzionale. Il condensatore C1, un vaso di Leiden o condensatore ad alta tensione, è collegato in parallelo al secondario del trasformatore. C1 carica e scarica la sua tensione alla frequenza della tensione di ingresso. È interessante notare che la tensione di ingresso può essere anche una tensione continua (ma senza il primo trasformatore). Quando la differenza di potenziale su C1 supera i limiti imposti dallo spinterometro, si crea una scintilla tra i suoi terminali e una grande corrente scorre attraverso L1, scaricando il condensatore. La scintilla chiude il circuito. L1 e L2 sono due componenti di un trasformatore. L1 è il primario e L2 è il secondario. Ai terminali di L2 è presente una tensione molto alta. L’entità della corrente attraverso le bobine dipende dalla capacità di C1. È possibile collegare più condensatori in parallelo. È molto importante che questo componente sia adatto alle tensioni utilizzate. È invece possibile collegare più condensatori in serie e in parallelo per ottenere la tensione di esercizio richiesta.

Struttura

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Come già accennato, il trasformatore T1 funge da ingresso amplificatore di tensione. Fare attenzione durante la manipolazione. Come mostrato nella Figura 4, la bobina primaria L1 è costituita da un filo spesso attorno a un supporto di plastica di 25 cm di diametro. Costruire L2 è molto noioso. È possibile utilizzare un lungo tubo di plastica con un diametro di 12 cm. Per ottenere le migliori prestazioni, trattare il supporto con una vernice plastica è una buona scelta. La bobina è composta da 2000 spire di filo magnetico da 0,4 mm (26 AWG).

I condensatori devono essere accuratamente selezionati e progettati. Non è possibile utilizzare condensatori normali. La differenza di potenziale è molto alta e i componenti potrebbero essere distrutti. È possibile seguire il progetto di una Leida oppure è possibile collegare più condensatori in poliestere in serie/parallelo per raggiungere la capacità massima e la tensione di almeno 15.000 volt. I condensatori non devono essere polarizzati. Un condensatore molto efficiente può essere costruito da due lastre di alluminio incollate ai lati opposti di una lastra di vetro. Con le dimensioni di 50 cm x 50 cm e uno spessore del vetro di 3 mm, è possibile ottenere un condensatore da 7378 pF. Il vetro ha una costante dielettrica molto alta. Tuttavia, questo condensatore può essere più piccolo. La figura 5 mostra diversi esempi di condensatori ad alta tensione.

Lo spinterometro è un componente molto semplice e molto importante. È un dispositivo che utilizza due elettrodi per creare scariche elettriche nell’aria. Si compone di due sfere. La distanza tra i terminali può essere gradualmente ridotta fino a quando l’intensità del campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell’aria e si verifica una scintilla. Un esempio di spinterometro può essere visto in Figura 6. Durante la costruzione, occorre prestare attenzione per isolare le parti critiche del circuito.

Utilizzo

Quando la build è completa, puoi testare il dispositivo. Presta attenzione a ogni processo. La configurazione deve essere eseguita senza collegamento elettrico. Le scintille possono essere molto dolorose. A dispositivo spento è possibile regolare la distanza tra le due sfere dello spinterometro per ottenere una scintilla. Per impostare la scintilla, sposta le due sfere di circa 2 pollici l’una dall’altra.Quindi avvicinati agli elettrodi a piccoli passi, spegnendo ogni volta il dispositivo. La potenza delle scintille è proporzionale alla capacità del condensatore. Una volta create le scintille nello spinterometro, la bobina secondaria è pronta per creare effetti speciali. Alla loro punta possono essere create grandi scintille, avvicinando gli oggetti di metallo alla pallina sulla bobina. È necessario tenerli con un lungo manico isolato (legno o plastica). La lunghezza delle scintille (archi) è proporzionale alla tensione ai capi della bobina secondaria. Non toccare nessuna parte del circuito con le mani. Una scintilla di 20 cm è un ottimo risultato.

Sintonizzazione

La bobina di Tesla è simile a un ricevitore radio. Deve essere sintonizzato sulla frequenza di risonanza per ottenere le migliori prestazioni. Per migliorare l’efficienza del dispositivo, suggeriamo le seguenti soluzioni:

• Aumentare o diminuire il numero di spire della bobina primaria;
• Aumentare o diminuire il numero di spire della bobina secondaria;
• avvicinare o allontanare di qualche millimetro le due sfere dello spinterometro (ricordarsi di togliere l’alimentazione);
• aumentare il più possibile la capacità dei condensatori;
• cambiare il collegamento con un altro circuito sulla bobina primaria come mostrato in Figura 7;
• utilizzare materiali di qualità e di buona qualità

Conclusioni

Esistono molte soluzioni per costruire una bobina di Tesla. Questo è probabilmente il più semplice. Prestare attenzione quando si lavora con questi circuiti. La tensione è molto alta. C’è un forte odore di ozono nell’aria quando la bobina di Tesla è in funzione. Alla fine puoi costruire una versione più piccola del dispositivo, quindi puoi aumentare la potenza della bobina di Tesla. Nella Figura 8 puoi vedere una bobina di Tesla completa. Qui si può fare una distinzione (da sinistra a destra):

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• il trasformatore (da 230 V a 10.000 V);
• il condensatore AT;
• lo spinterometro;
• le due bobine (primaria e secondaria).

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