La corrente elettrica è spesso magica e misteriosa. Prima che la gente sapesse dell’elettricità, molti fenomeni naturali apparivano come eventi soprannaturali causati da dei arrabbiati. Fortunatamente le persone oggi conoscono le leggi della fisica e possono operare con loro in base alle loro esigenze senza problemi.
Una bobina di Tesla è un circuito risonante composto da due circuiti LC, accoppiati induttivamente. In altre parole, è un trasformatore con un circuito primario e circuiti secondari che possono aumentare la tensione elettrica per produrre scintille., In condizioni normali, l’aria può essere considerata un isolante. Una tensione applicata tra due punti isolati non causa il passaggio di alcuna corrente elettrica. Se la tensione viene aumentata, il campo elettrico può diventare abbastanza intenso da ricevere l’energia per ionizzare altre particelle. Il fenomeno è amplificato con un progressivo aumento degli ioni in movimento. Viene stabilita una corrente elettrica con riscaldamento dell’area che causa un’ulteriore ionizzazione dell’aria. Viene creato un canale gassoso altamente ionizzato, che funge da conduttore elettrico, in grado di sostenere un arco elettrico., La scintilla ha un bagliore intenso in una durata molto breve su un percorso a zigzag, con un suono detonante. Il fulmine è una scintilla di grande intensità. Per innescare 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 facilmente con l’umidità. Per produrre una scintilla di 10 cm, è necessario fornire una tensione di circa 300.000 V (300 kV).
Lunghezza della scintilla
Con questa formula molto generale, è possibile misurare la tensione tra due conduttori misurando la lunghezza delle scintille., Quando viene applicata una differenza di potenziale tra due elettrodi, si forma un campo elettrico:
E = V * d
dove “V” è la tensione e “d” è la distanza tra gli elettrodi. Per ogni materiale, esiste un valore, noto come punto di rottura, che rappresenta il campo elettrico minimo necessario per innescare una scintilla. Per generare una scintilla di 1 cm, è necessario applicare 30 kV. Per conoscere la tensione tra due elettrodi, basta moltiplicare la lunghezza della scintilla (in centimetri) di 30 kV, ad una temperatura di 25°C con aria secca. Questo metodo funziona con due elettrodi sferici., Il valore può variare in base alla pressione e all’umidità. Come mostrato in Figura 1, è davvero difficile generare grandi scintille. Per una scintilla di 10 cm, ha bisogno di una tensione di 300.000 V, e per una scintilla di mezzo metro, è necessario fornire circa 1.500.000 V — davvero molto pericoloso.
Figura 1: Grafico della lunghezza della scintilla rispetto alla tensione
È molto impressionante come la natura possa produrre fulmini molto grandi di milioni di volt!
Come funziona?,
Sappiamo che una bobina di Tesla, creata da Nikola Tesla, è uno speciale trasformatore risonante con due bobine accoppiate. Un trasformatore di bobina di Tesla funziona in modo diverso rispetto a un trasformatore tradizionale con un nucleo di ferro. In un trasformatore convenzionale, le due bobine generano un guadagno di tensione, che dipende dal rapporto tra il numero di giri. In una bobina di Tesla, d’altra parte, il guadagno può essere molto più grande perché è proporzionale a: √L2/L1.
Il giusto equilibrio tra le singole parti consente un accoppiamento in grado di generare un’onda elettromagnetica adatta all’illuminazione di una lampada a luminescenza., Ha un nucleo d’aria. La sua frequenza operativa è compresa tra 50 kHz e 30 MHz. La bobina trasferisce energia dal primario al secondario. La tensione prodotta sul secondario aumenta fino a quando tutta l’energia del circuito primario è stata trasferita a quella secondaria. Il sistema si basa su un gruppo RLC e su un generatore sinusoidale, come mostrato in 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 su passi aria la tensione di ingresso fino 100× per creare una tensione elevata., Dopo alcuni secondi, la tensione è abbastanza alta da sparare lo spark gap. Il condensatore e la bobina primaria del secondo trasformatore formano quindi un circuito risonante. La bobina del trasformatore secondario è collegata a un toroide, che rappresenta il condensatore collegato a terra. Forma anche un circuito risonante con la stessa frequenza di risonanza. L’energia viene gradualmente trasferita dal primo circuito al secondo, quindi lo spark gap smette di condurre, lasciando tutta l’energia nel circuito toroidale. Una volta che lo spark gap smette di condurre, ci vuole un po ‘ perché la tensione si accumuli abbastanza da poter sparare di nuovo.,
Figura 2: Un circuito RLC e il grafico della sua uscita, nel dominio della frequenza
L’esempio della figura consiste in una resistenza di 10 Ohm (determina il fattore Q del circuito), un condensatore da 47 pF, e un induttore di 20 mH. Per calcolare la frequenza di risonanza del circuito (nell’esempio, è 164.155, 78 Hz) è possibile utilizzare la formula mostrata nella casella., Se il circuito RLC viene fornito esattamente alla sua frequenza di risonanza, sull’induttore, otteniamo una tensione molto più alta di quella applicata all’ingresso. In queste condizioni, il circuito è, per il generatore di tensione, un carico perfettamente resistivo. Per queste caratteristiche, comprendiamo 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 completamente funzionante di una bobina di Tesla., Lo spinterometro e il condensatore (serbatoio) possono essere montati secondo due diverse configurazioni. Illustriamo i suoi componenti. La costruzione non è difficile, ma richiede cura.
Figura 3: Schema generale della bobina di Tesla
Il trasformatore T1 aumenta ed eleva la tensione di ingresso a circa 10 kV. Questo componente viene solitamente utilizzato per illuminare insegne pubblicitarie con neon. Non è possibile utilizzare un trasformatore tradizionale., Il condensatore C1, una bottiglia di Leyda o un 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 del potenziale su C1 supera i limiti imposti dallo spinterometro, si verifica una scintilla tra i suoi terminali e una forte 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. Sui terminali di L2, sarà presente una tensione molto alta. La potenza della corrente sulle bobine dipende dalla capacità di C1. È possibile collegare diversi condensatori in parallelo. È molto importante che questo componente sia adatto alle tensioni utilizzate. D’altra parte, è possibile collegare in serie e in parallelo molti condensatori per ottenere la tensione operativa richiesta.
Costruzione
Come detto prima, il trasformatore T1 funziona come elevatore della tensione di ingresso. Fai attenzione quando lo maneggi., Come mostrato in Figura 4, la bobina primaria L1 è realizzata con un filo spesso avvolto attorno a un supporto di plastica con un diametro di 25 cm. La costruzione di L2 è molto noiosa. È possibile utilizzare un tubo di plastica lungo con un diametro di 12 cm. Per prestazioni ottimali, è una buona idea trattare il supporto con una vernice di plastica. La bobina è composta da 2.000 giri di filo smaltato da 0,4 mm (26 AWG).
Figura 4: Progettazione e misure delle bobine
I condensatori devono essere scelti e costruiti con cura., Non è possibile utilizzare condensatori normali. La differenza di potenziale è molto alta e i componenti potrebbero essere distrutti. Può seguire il progetto di un barattolo di Leyden oppure è possibile collegare insieme molti condensatori in poliestere in serie/parallelo per ottenere la massima quantità di capacità e tensione di almeno 15.000 V. I condensatori non devono essere polarizzati. È possibile costruire un condensatore molto efficiente utilizzando due fogli di alluminio incollati su una lastra di vetro, nelle facce opposte. Con le dimensioni di 50 × 50 cm e uno spessore di vetro di 3 mm, è possibile ottenere un condensatore di 7.378 pF., Il vetro ha una costante dielettrica molto alta. Ad ogni modo, questo condensatore può essere più piccolo. La figura 5 mostra diversi esempi di condensatori ad alta tensione.
Figura 5: Diversi esempi di condensatori ad alta tensione
Lo spinterometro è un componente molto semplice ed è molto importante. È un dispositivo utilizzato per generare scariche elettriche nell’aria attraverso due elettrodi. Consiste di due sfere., La distanza tra i terminali può essere progressivamente ridotta fino a quando l’intensità del campo elettrico supera il valore di rigidità dielettrica dell’aria e si verifica una scintilla. È possibile vedere un esempio di spinterometro in Figura 6.
Figura 6: Esempio di spinterometro
Durante la costruzione, prestare attenzione ad isolare le parti critiche del circuito.
Uso
Quando la costruzione è fatto, si può presto testare il dispositivo. Fai attenzione a qualsiasi operazione., La configurazione deve essere eseguita senza connessione elettrica. Le scintille potrebbero essere molto dolorose. Quando il dispositivo è spento, è possibile regolare la distanza tra le due sfere dello spinterometro per ottenere una scintilla. Per regolare la scintilla, spostare le due sfere a circa 5 cm di distanza. Quindi avvicinarsi agli elettrodi a piccoli passi, spegnendo il dispositivo ogni volta. La potenza delle scintille è proporzionale alla capacità del condensatore. Una volta ottenute le scintille nello spinterometro, la bobina secondaria è pronta a produrre un effetto speciale., Dalla sua cima, puoi produrre grandi scintille, avvicinando oggetti metallici alla sfera sulla bobina. È necessario tenerli con una lunga maniglia isolata (legno o plastica). La lunghezza delle scintille (archi elettrici) è proporzionale alla tensione attraverso la bobina secondaria. Non toccare nessuna parte del circuito con le mani. Una scintilla di 20 cm è un ottimo risultato.
Tuning
La bobina di Tesla è simile a un ricevitore radio. Deve sintonizzarsi sulla frequenza di risonanza per ottenere le migliori prestazioni da esso., Per migliorare l’efficienza del dispositivo, suggeriamo le seguenti soluzioni:
• Aumentare o diminuire il numero di giri della bobina primaria.
• Aumentare o diminuire il numero di giri della bobina secondaria.
• Avvicinare o allontanare di qualche millimetro le due sfere dello spinterometro (ricordarsi di spegnere l’alimentazione).
• Aumentare il più possibile la capacità del serbatoio dei condensatori.
• Cambiare la connessione su cerchi diversi sulla bobina primaria, come mostrato in Figura 7.
• Utilizzare materiali di buona qualità e buoni componenti.,
Figura 7: È possibile migliorare l’accoppiamento del circuito LC modificando il valore di induttanza della bobina primaria con una diversa posizione della connessione.
Conclusione
Ci sono molte soluzioni per costruire una bobina di Tesla. Questo è probabilmente il più facile. Fai attenzione mentre lavori con questi circuiti, poiché la tensione è molto alta. Durante il funzionamento della bobina di Tesla, un forte odore di ozono viene lasciato nell’aria., Alla fine, è possibile costruire una versione più piccola del dispositivo e quindi è possibile aumentare la potenza della bobina di Tesla. Nella figura 8, è possibile vedere una bobina di Tesla completa. In esso si possono distinguere (da sinistra a destra):
- il trasformatore da 230 V a 10.000 V)
- HV condensatore
- il spinterometer
- le due bobine (primaria e secondaria)
Figura 8: Un completo di bobina di Tesla