Explainer: che cosa è una bobina di Tesla?

Immagina un uomo solitario, grondante di sudore per tutta la notte in un laboratorio buio, illuminato solo da scintille scoppiettanti che saltano periodicamente da enormi macchine e proiettano un bagliore viola sul suo viso. Questo era Nikola Tesla, l’archetipo dello scienziato pazzo. Le sue invenzioni riempiono il mondo che ci circonda; sono strumentali alla nostra moderna rete elettrica. Sono macchine silenziose, affidabili, invisibili.

Forse la sua invenzione più famosa è la bobina di Tesla-un aggeggio che produce bellissimi archi volanti di energia elettrica. È stato inventato da Tesla nel tentativo di trasmettere elettricità in modalità wireless.

Trasformatore in azione

I principi alla base della bobina di Tesla sono relativamente semplici. Basta tenere a mente che la corrente elettrica è il flusso di elettroni, mentre la differenza di potenziale elettrico (tensione) tra due luoghi è ciò che spinge quella corrente. La corrente è come l’acqua e la tensione è come una collina. Una grande tensione è una ripida collina, in cui un flusso di elettroni può fluire rapidamente. Una piccola tensione è come una pianura quasi piatta con quasi nessun flusso d’acqua.

La potenza della bobina di Tesla si trova in un processo chiamato induzione elettromagnetica. Questo è dove un campo magnetico mutevole crea una tensione che costringe la corrente a fluire. A sua volta, la corrente elettrica che scorre genera un campo magnetico. Quando l’elettricità scorre attraverso una bobina di filo avvolto, genera un campo magnetico che riempie l’area intorno alla bobina in un particolare modello.

Allo stesso modo, se un campo magnetico scorre attraverso il centro di un filo arrotolato, viene generata una tensione nel filo, che provoca un flusso di corrente elettrica.

La tensione (“hill”) generata in una bobina di filo da un campo magnetico attraverso il suo centro aumenta con il numero di giri del filo. Un campo magnetico variabile all’interno di una bobina di 50 giri genererà dieci volte la tensione di una bobina di soli cinque giri. (Tuttavia, meno corrente può effettivamente fluire attraverso il potenziale più alto, per risparmiare energia.)

Questo è esattamente come funziona un comune trasformatore elettrico a corrente alternata (AC), che si trova in ogni casa. La corrente elettrica costantemente fluttuante che scorre dalla rete elettrica viene avvolta attraverso una serie di giri attorno a un anello di ferro per generare un campo magnetico. Il ferro è magneticamente permeabile, quindi il campo magnetico è quasi interamente contenuto nel ferro. L’anello guida il campo magnetico (in verde a destra) intorno e attraverso il centro della bobina opposta di filo.

Il rapporto delle bobine da un lato all’altro determina la variazione di tensione. Per passare dalla tensione della parete domestica 120V a, ad esempio, 20V per l’uso in un adattatore di alimentazione per laptop, il lato di uscita della bobina avrà sei volte meno giri per ridurre la tensione a un sesto del suo livello originale.

Come rotola la bobina

Le bobine di Tesla fanno la stessa cosa, ma con un cambiamento di tensione molto più drammatico. In primo luogo, essi impiegano un pre-made ad alta tensione nucleo di ferro trasformatore per andare da 120 V corrente di parete a circa 10,000 V. Il filo con 10.000 volt è avvolto in una grande bobina (primaria) con solo una manciata di giri. La bobina secondaria contiene migliaia di giri di filo sottile. Questo aumenta la tensione tra 100.000 e 1.000.000 volt. Questo potenziale è così forte che il nucleo di ferro di un normale trasformatore non può contenerlo. Invece, c’è solo aria tra le bobine.

La bobina di Tesla richiede un’altra cosa: un condensatore per immagazzinare la carica e sparare tutto in un’unica enorme scintilla. Il circuito della bobina contiene un condensatore e un piccolo foro chiamato spark gap. Quando la bobina è accesa, l’elettricità scorre attraverso il circuito e riempie il condensatore di elettroni, come una batteria. Questa carica crea il proprio potenziale elettrico nel circuito, che cerca di colmare il divario di scintilla. Questo può accadere solo quando una grande quantità di carica si è accumulata nel condensatore.

Alla fine si è accumulata tanta carica che rompe la neutralità elettrica dell’aria nel mezzo dello spark gap. Il circuito si chiude per un secondo fugace e un’enorme quantità di esplosioni di corrente fuori dal condensatore e attraverso le bobine. Questo produce un campo magnetico molto forte nella bobina primaria.

La bobina di filo secondario utilizza l’induzione elettromagnetica per convertire questo campo magnetico in un potenziale elettrico così alto che può facilmente rompere le molecole d’aria alle sue estremità e spingere i loro elettroni in archi selvaggi, producendo enormi scintille viola. La cupola sulla parte superiore del dispositivo agisce per rendere la bobina secondaria di fili ricevere energia più pienamente dalla prima bobina. Con alcuni calcoli matematici accurati, la quantità di energia elettrica trasferita può essere massimizzata.

Flying blue streamer di elettroni fluiscono fuori dalla bobina e attraverso l’aria calda alla ricerca di un luogo di atterraggio conduttivo. Riscaldano l’aria e la rompono in un plasma di filamenti ionici incandescenti prima di dissiparsi nell’aria o di salire in un conduttore vicino.

Un tremendo spettacolo di luci è generato, così come un forte ronzio, scoppiettante suono, che può essere utilizzato per riprodurre musica. La teatralità elettrica è così sorprendente che Tesla era noto per usare il suo dispositivo per spaventare e ipnotizzare i visitatori del suo laboratorio.