Erklärer: Was ist eine Tesla-Spule?
Stellen Sie sich einen zurückgezogenen Mann vor, der die ganze Nacht in einem dunklen Labor vor Schweiß tropft und nur von knisternden Funken beleuchtet wird, die regelmäßig von riesigen Maschinen springen und ein lila Leuchten über sein Gesicht werfen. Dies war Nikola Tesla, der Archetyp des verrückten Wissenschaftlers. Seine Erfindungen füllen die Welt um uns herum; Sie sind entscheidend für unser modernes Stromnetz. Sie sind leise, zuverlässige, unsichtbare Maschinen.
Seine vielleicht berühmteste Erfindung ist die Tesla–Spule – ein Gerät, das wunderschöne fliegende Bögen elektrischer Energie erzeugt. Es wurde von Tesla erfunden, um Elektrizität drahtlos zu übertragen.
Transformator in Aktion
Die Prinzipien hinter der Tesla-Spule sind relativ einfach. Denken Sie daran, dass elektrischer Strom der Fluss von Elektronen ist, während der Unterschied im elektrischen Potential (Spannung) zwischen zwei Stellen diesen Strom antreibt. Strom ist wie Wasser und Spannung ist wie ein Hügel. Eine große Spannung ist ein steiler Hügel, Nach unten kann ein Strom von Elektronen schnell fließen. Eine kleine Spannung ist wie eine fast flache Ebene mit fast keinem Wasserfluss.
Die Kraft der Tesla-Spule liegt in einem Prozess, der als elektromagnetische Induktion bezeichnet wird. Hier erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung, die den Strom zum Fließen zwingt. Der fließende elektrische Strom erzeugt wiederum ein Magnetfeld. Wenn Elektrizität durch eine aufgewickelte Drahtspule fließt, erzeugt sie ein Magnetfeld, das den Bereich um die Spule in einem bestimmten Muster ausfüllt.
Wenn ein Magnetfeld durch die Mitte eines gewickelten Drahtes fließt, wird im Draht eine Spannung erzeugt, die einen elektrischen Strom fließen lässt.
Die Spannung („hill“), die in einer Drahtspule durch ein Magnetfeld durch ihr Zentrum erzeugt wird, nimmt mit der Anzahl der Drahtwindungen zu. Ein sich änderndes Magnetfeld innerhalb einer Spule von 50 Windungen erzeugt das Zehnfache der Spannung einer Spule von nur fünf Windungen. (Allerdings kann tatsächlich weniger Strom durch das höhere Potential fließen, um Energie zu sparen.)
Genau so funktioniert ein üblicher Wechselstrom (AC) -Transformator, der in jedem Haushalt zu finden ist. Der ständig schwankende elektrische Strom, der aus dem Stromnetz fließt, wird durch eine Reihe von Windungen um einen Eisenring gewickelt, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Eisen ist magnetisch durchlässig, so dass das Magnetfeld fast vollständig im Eisen enthalten ist. Der Ring führt das Magnetfeld (in grün nach rechts) um und durch die Mitte der gegenüberliegenden Drahtspule.
Das Verhältnis der Spulen auf einer Seite zur anderen bestimmt die Spannungsänderung. Um von der 120-V-Haushaltswandspannung auf beispielsweise 20 V für die Verwendung in einem Laptop-Netzteil zu wechseln, hat die Ausgangsseite der Spule sechsmal weniger Windungen, um die Spannung auf ein Sechstel ihres ursprünglichen Niveaus zu senken.
Wie die Spule rollt
Tesla-Spulen machen dasselbe, aber mit einer viel dramatischeren Spannungsänderung. Zuerst beschäftigen sie einen vorgefertigten Hochspannungs-Eisenkerntransformator, um von 120V Wandstrom auf ungefähr 10.000V zu gehen. Der Draht mit 10.000 Volt ist in eine große (Primär-) Spule mit nur einer Handvoll Windungen gewickelt. Die Sekundärspule enthält Tausende von Windungen dünnen Drahtes. Dies erhöht die Spannung auf 100.000 bis 1.000.000 Volt. Dieses Potential ist so stark, dass der Eisenkern eines normalen Transformators es nicht enthalten kann. Stattdessen befindet sich nur Luft zwischen den Spulen.
Die Tesla-Spule benötigt noch eine Sache: einen Kondensator, um Ladung zu speichern und alles in einem riesigen Funken abzufeuern. Die Schaltung der Spule enthält einen Kondensator und ein kleines Loch, das als Funkenstrecke bezeichnet wird. Wenn die Spule eingeschaltet wird, fließt Strom durch den Stromkreis und füllt den Kondensator wie eine Batterie mit Elektronen. Diese Ladung erzeugt ein eigenes elektrisches Potential in der Schaltung, das versucht, die Funkenstrecke zu überbrücken. Dies kann nur geschehen, wenn sich eine große Ladungsmenge im Kondensator aufgebaut hat.
Schließlich hat sich so viel Ladung angesammelt, dass sie die elektrische Neutralität der Luft in der Mitte der Funkenstrecke aufbricht. Der Stromkreis schließt für eine flüchtige Sekunde und eine große Menge Strom strömt aus dem Kondensator und durch die Spulen. Dies erzeugt ein sehr starkes Magnetfeld in der Primärspule.
Die Sekundärdrahtspule wandelt dieses Magnetfeld mithilfe elektromagnetischer Induktion in ein elektrisches Potential um, das so hoch ist, dass es die Luftmoleküle an seinen Enden leicht auseinanderbrechen und ihre Elektronen in wilden Bögen schieben kann, wodurch enorme violette Funken erzeugt werden. Die Kuppel auf der Oberseite des Geräts bewirkt, dass die Sekundärspule der Drähte Energie vollständiger von der ersten Spule erhält. Mit einigen sorgfältigen mathematischen Berechnungen kann die Menge der übertragenen elektrischen Energie maximiert werden.
Fliegende blaue Elektronenströme strömen von der Spule und durch die heiße Luft auf der Suche nach einem leitfähigen Landeplatz. Sie erwärmen die Luft und brechen sie in ein Plasma aus glühenden Ionenfilamenten, bevor sie sich in die Luft auflösen oder in einen nahe gelegenen Leiter strömen.
Es wird eine enorme Lichtshow erzeugt, sowie ein lautes Summen, Knistern, das zum Abspielen von Musik verwendet werden kann. Die elektrische Theatralik ist so atemberaubend, dass Tesla dafür bekannt war, sein Gerät zu benutzen, um Besucher seines Labors zu erschrecken und zu hypnotisieren.