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Come progettare una bobina di Tesla

da | 2 Mar, 21 | Design, Power, RF/Wireless |

La corrente elettrica è spesso magica e misteriosa, per Tesla non lo era. Quando le persone non conoscevano l’elettricità, molti fenomeni naturali apparivano come fatti soprannaturali causati dagli dei adirati con l’umanità. Per fortuna oggi le persone conoscono le leggi della fisica e possono operare con esse in base alle proprie esigenze, senza problemi.

Introduzione

Una bobina di Tesla è un circuito risonante composto da due circuiti LC, accoppiati induttivamente. In altre parole, è un trasformatore con circuiti primari e secondari che possono aumentare la tensione elettrica fino a produrre scintille importanti. In condizioni normali l’aria può essere considerata un isolante. Una tensione applicata tra due punti isolati non provoca 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 si amplifica con un progressivo aumento degli ioni in movimento. Viene stabilita una corrente elettrica con il riscaldamento della zona che provoca un’ulteriore ionizzazione dell’aria. Si crea 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 di lunghezza è necessario fornire una tensione di circa 300.000 Volt (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 è presente 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 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 in base alla pressione e all’umidità. Come mostrato nella Figura 1, è davvero difficile generare 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. E’ davvero impressionante come la Natura possa produrre fulmini molto grandi di miliardi di Volt.

Come funziona?

Abbiamo detto che una bobina di Tesla, creata da Nikola Tesla, è uno speciale trasformatore risonante con due bobine accoppiate. Un trasformatore con 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 del numero di spire. In una bobina di Tesla, al contrario, il guadagno può essere molto maggiore perché proporzionale a:

Il giusto equilibrio tra le singole parti consente un accoppiamento in grado di generare un’onda elettromagnetica atta ad accendere 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 quello secondario. Il sistema è basato 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 in aria aumenta la tensione di ingresso di 100 volte per creare un’alta tensione. Dopo pochi secondi, la tensione è sufficientemente alta da attivare lo spinterometro. 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 spinterometro smette di condurre, lasciando tutta l’energia nel circuito toroidale. Una volta che lo spinterometro smette di condurre, ci vuole un po ‘di tempo prima che la tensione si accumuli abbastanza da farla scattare di nuovo.

Figura 2: un circuito RLC e il grafico della sua uscita, nel dominio della frequenza

L’esempio della 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 (nell’esempio è 164155,78 Hz) è possibile utilizzare la formula mostrata nel riquadro. Se il circuito RLC viene alimentato esattamente alla sua frequenza di risonanza, sull’induttore, si ottiene 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 possiamo capire che la costruzione delle bobine non può essere casuale ma deve essere il risultato di calcoli e formule precise e accurate.

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. Andiamo ad illustrarne i componenti. La costruzione non è difficile ma necessita di attenzione.

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. E’ 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, tra i suoi terminali si verifica una scintilla 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 più condensatori in parallelo. È molto importante che questo componente sia adatto alle tensioni utilizzate. È possibile invece collegare in serie e in parallelo più condensatori, per ottenere la tensione operativa richiesta.

Costruzione

Come detto prima, il trasformatore T1 funge da elevatore della tensione di ingresso. Si faccia attenzione quando si maneggia. Come mostrato in Figura 4, la bobina primaria L1 è realizzata con un filo spesso attorno ad un supporto in plastica del diametro di 25 cm. La costruzione di L2 è molto noiosa. Si può usare un lungo tubo di plastica con un diametro di 12 cm. Per prestazioni ottimali è una buona scelta trattare il supporto con una vernice plastica. La bobina è composta da 2000 spire di filo smaltato da 0,4 mm (26 AWG).

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. Possono seguire il progetto di una Leida oppure è possibile collegare tra loro più condensatori in poliestere in serie / parallelo, per ottenere la massima quantità di capacità e tensione di almeno 15.000 Volt. I condensatori non devono essere polarizzati. Si può costruire un condensatore molto efficiente usando due fogli di alluminio incollati a una lastra di vetro, nelle facce opposte. Con le dimensioni di 50 cm x 50 cm e uno spessore del vetro di 3 mm, è possibile ottenere un condensatore di 7378 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.

Lo spinterometro è un componente molto semplice ed è molto importante. E’ 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. Si può osservare un esempio di spinterometro nella Figura 6. Durante la costruzione occorre prestare attenzione ad isolare le parti critiche del circuito.

Figura 6: esempio di spinterometro

Uso

Quando la costruzione è terminata, si può testare il dispositivo. Si faccia attenzione a qualsiasi operazione. La configurazione deve essere eseguita senza collegamento elettrico. 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, si allontanino le due sfere a circa 5 centimetri l’una dall’altra. Quindi si avvicinino gli elettrodi a piccoli passi, spegnendo ogni volta il dispositivo. La potenza delle scintille è proporzionale alla capacità del condensatore. Una volta ottenute le scintille nello spinterometro, la bobina secondaria è pronta per produrre effetti speciali. Dalla sua sommità si possono produrre grandi scintille, avvicinando oggetti metallici alla sfera sulla bobina. E’ necessario tenerli con un lungo manico isolato (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.

Messa a punto

La bobina di Tesla è simile a un ricevitore radio. Deve essere sintonizzato sulla frequenza di risonanza per ottenere le migliori prestazioni da essa. 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 tra loro le due sfere dello spinterometro (ricordarsi di spegnere l’alimentazione);
  • aumentare il più possibile la capacità dei condensatori;
  • modificare il collegamento su cerchio diverso sulla bobina primaria, come mostrato in Figura 7;
  • utilizzare materiali di buona qualità e buoni componenti.

Conclusioni

Esistono molte soluzioni per costruire una bobina di Tesla. Probabilmente questo è il più semplice. Si faccia attenzione mentre si lavora con questi circuiti. La tensione è molto alta. Durante le operazioni sulla bobina di Tesla, si avverte nell’aria un forte odore di ozono. Alla fine si può costruire una versione più piccola del dispositivo, quindi poi si può aumentare la potenza della bobina di Tesla. Nella Figura 8 si può vedere una bobina di Tesla completa. In esso è possibile distinguere (da sinistra a destra):

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

Figura 8: una bobina di Tesla completa

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