Aufbau
Die Sekundärspule ist einlagig auf ein PVC-Gasrohr gewickelt.
Sie besteht aus 1800 Windungen mit 0,12 mm Lackdraht. An der Spitze ist
der Draht einfach in die Mitte geführt und an die Messingelektrode
angeschlossen. Von innen wurde dann etwas Gießharz in das Rohr
geschüttet,
um die Draht gegen benachbarte Windungen zu isolieren. Die Spule wurde
nach dem Wickeln noch mit einem transparenten Lack gefestigt, da sich
dieser
dünne Draht sonst bei Temperaturänderungen von dem Rohr
ablöst
und überschlägt.
Die Primärspule ist auf ein Stück PVC-Abflussrohr ebenfalls
einlagig gewickelt. Sie besteht aus 16 Windungen mit 0,5mm Lackdraht.
Diese
Spule hat im Betrieb eine Impedanz von etwa 50 Ohm, sodass an die
Primärspule direkt das RG-58 Koax-Kabel als Zuleitung zum
HF-Generator
angeschlossen werden darf. Als Erdleitung dient hier gleichzeitig der
Schirm
des Kabels. Der HF-Generator muss deshalb gut geerdet sein.
Abschließend soll noch gesagt werden, dass der Bau nicht
so kritisch ist wie beim Groß-Teslatrafo.
Sekundärwicklung: | 1800 Windungen mit 0,12mm dickem Lackdraht |
Sekundärspulenkörper: | PVC-Rohr mit 32mm Aussendurchmesser, 22cm lang |
Primärspule: | 16 Windungen mit 0,5mm dickem Lackdraht |
Primärspulenkörper: | PVC-Rohr mit 50mm Aussendurchmesser, 15mm lang |
Der Teslatrafo hat ohne zusätzliche Kapazität an der
Spitze
eine Resonanzfrequenz von ca. 1MHz. Die genaue Frequenz für die
größte
Funkenbildung kann nur durch Versuche ermittelt werden, da auch schon
der
Funke eine Kapazitätserhöhung verursacht.
Die Sekundärspule bildet den eigentlichen Resonator. Durch die
nicht sichtbare Kapazität zwischen den Windungen und von den
Windungen
gegen Erde entsteht mit der Induktivität der Spule ein
Serienschwingkreis.
Wird dieser durch Einkoppeln der richtigen Frequenz im Resonanzpunkt
angeregt,
so entsteht auf der Spitze eine Spannungsüberhöhung, die dann
den Funken verursacht. Der Grund, warum der Teslatrafo ein so starkes
Feld
um sich herum erzeugt, ist einfach der, dass der Schwingkreisstrom
über die Luft fließen muss. Im Funken ist das direkt
sichtbar,
weil hier die Feldstärke den Druchbruchswert der Luft
überschreitet.
In größerer Entfernung tritt dann eine entsprechend
schwächere
Feldstärke auf.
Eine
richtige Vorstellung über die Entladung vermittelt eigentlich
nur dieses Video. Die Verästelungen des Funkens sind im Standbild
sehr gut zu sehen, da die Videokamera viel kürzere
Belichtungszeiten
verwenden muss. Die Entladung wirkt allerdings etwas rötlicher,
als der wirklich ist, da die Kamera auch die unsichtbaren, infraroten
Anteile
des Lichtes aufzeichnet. Es ist auch gut das charakteristische Zischen
des HF-Lichtbogens zu hören.
Was
hier zu sehen ist, ist nicht etwa der Beginn eines Kugelblitzes,
sondern
eine Entladung an einem sehr dünnen Draht, der im Bild nicht zu
sehen
ist, da er sich durch die Entladungen leicht bewegt. Die
Feldstärke
erreicht dann auch schon unterhalb der Spitze den Durchbruchswert.
Eine Eigenschaft von Teslaresonatoren ist, dass mit steigender
Höhe des Entladungspunktes die Resonanzfrequenz sinkt. Bei diesem
Versuch ist es daher schon notwendig, den Sender nachzustimmen, damit
eine
optimale Funkenlänge erreicht wird.
Da die Funken sehr lange an einer Stelle stabil bleiben, wird an der
Spitze der Verlauf des elektrischen Feldes sichtbar. Das Funkenmuster
entspricht
aber nicht genau dem Feldverlauf, da die erwärmte Luft nach oben
steigt
und den Funken dadurch in die Höhe zieht.
Tips und Tricks: Dünne
Drähte
kann man aus flexiblen Kupferlitzen gewinnen. Einige hoch flexible
Typen
bestehen aus sehr dünnen Drähten. Man kann den Draht auch zu
einem Ring biegen. Bei entsprechendem Durchmesser leuchtet dann der
ganze
Ring, ohne einen starken Entladungspunkt. Dabei ist es nur wichtig jede
Spitze beim zusammenlöten des Rings zu vermeiden.
Wenn man mehr Leistung (ca. 100W) zur Verfügung hat, kann man
auch einen Blumendraht verwenden. Durch die Entladungen an der Spitze
schmilzt
das Eisen und der Draht brennt ähnlich einer Wunderkerze ab.
Biegt man den Draht zu einem Kreis, dann stellt
sich eine sehr schöne
Sprühentladung ein. Der Draht kann auch zu anderen Formen, wie
z.B.
Buchstaben, gebogen werden.
Um zu zeigen, dass hier wirklich eine sehr hohe Spannung
erzeugt wird, wurde
ein Elektroskop
an den Teslatrafo angeschlossen. Das Elektroskop schlägt sowohl
bei positiver, als auch negativer
Spannung aus, es ist also auch für Wechselspannung zu verwenden.
Es zeigt sich ein starker Ausschlag der Blättchen und demonstriert
somit, das auch der CW-Teslatrafo sehr hohe Spannungen von ca. 6kV
erzeugen
kann. Von den unteren Enden der Blättchen springen Funken auf das
Glas
über. Man sollte diesen Versuch daher nur kurz ausführen,
damit
das Glas nicht zerspringt.
Kommt der Ton wirklich aus dem Funken?
Die Vermutung, dass die Spule durch die Stromänderungen in
mechanische Schwingungen versetzt wird und so den Ton erzeugt, kann
einfach
widerlegt werden. Wenn man den Funken durch Aufsetzen einer Kugel auf
die
Spitze "abtötet", ist auch kein Ton mehr zu hören. Obwohl
sich
die Spule in Resonanz befindet und deshalb auch noch Strom
fließen
muss.
Eine weitere Vermutung wäre, dass der Ton wegen der hohen
Spannungen durch elektrostatische Kräfte in der Luft erzeugt
wird. Um das zu widerlegen, habe ich die Leistung des Senders so lange
verringert, bis der Funken von selbst erlischt. Solange der Funken noch
brennt, ist auch der Ton zu hören. Sobald er aber erlischt,
herrscht
schlagartig Stille.
Ist das der Superlautsprecher für
meine
HiFi-Anlage?
Die Tonerzeugung auf diesem Weg ist zwar sehr eindrucksvoll, doch die
Übertragungsqualität kommt sicher nicht an die einer modernen
Lautsprecheranlage heran. Da der Funken durch seine Verästelung
immer
ein gewisses Grundrauschen (Zischen) erzeugt, ist die Dynamik sehr
eingeschränkt.
Probleme gibt es auch bei sehr tiefen Tönen, da der Funken dann
durch
die Druckwellen weggeblasen wird.
Für hohe Töne ist dieses Prinzip aber durchaus auch in der
HiFi-Technik anzuwenden. Die so erzeugten Töne breiten sich in
alle
Richtungen gleichmäßig aus, was die Ortung der Schallquelle
schwierig macht. Das erzeugt dann einen sehr guten Raumklang. Einen
solchen
Lautsprecher nennt man dann Plasmahochtöner. Siehe dazu auch Ulrich
Haumann's Vintage HiFi Pages.
Man kann aber die Übertragungsqualität verbessern, wenn man
den Funken auf eine zweite geerdete Elektrode überspringen
lässt.
Dann bildet sich nur mehr ein Funken-Kanal und die zischenden
Störgeräusche
sind nicht mehr so stark.
Dieses Zischen kann man auch durch Reduzieren der Senderleistung oder
Verstimmen des Teslatrafos etwas geringer halten. In diesem Fall ist
nicht
der größte Funken auch unbedingt der beste. Spielen sie
einfach
ein bißchen...
Das
dazugehörige Video zeigt, die Bewegungen des ionisierten Gases
in der Lampe. Wie beim obigen Video ist die Entladung etwas zu
rötlich
wiedergegeben.
Die laufenden Funken sehen so ähnlich aus, wie in den "magischen
Kugeln". Diese verwenden ebenfalls einen HF-Generator und eine
außen
leitend beschichtete Kugel. Dadurch wird ein Großteil der
HF
abgeleitet und man kann die Kugel anfassen um die Entladungen zu
bewegen.
Das ist hier übrigens auch möglich. Da aber keine Ableitung
besteht, spürt man schon nach kurzer Zeit eine Erwärmung
durch
die HF, die aber zum Großteil nur das Glas erwärmt.
Für den Perfektionisten: Wer
im Besitz eines Radiometers ist, der kann
dieses
neben den Teslatrafo stellen. Die verdünnte Luft im Inneren
beginnt
ebenfalls zu leuchten, die Flügel werden durch die Luft erhitzt
und
beginnen sich zu drehen.
Ein Radiometer ist ein Wärme-Strahlungsmesser. Eine einfache
Ausführung
besteht aus einem Glaskolben, in dem ein Schaufelrad drehbar gelagert
ist.
Eine Seite der Schaufeln ist schwarz lackiert, die andere ist
reflektierend.
Wird die schwarze Seite durch Lichteinstrahlung erwärmt, so
stoßen
sich die Luftmoleküle von dort stärker ab, als von der
kühleren
Seite. In der verdünnten Luft beginnt sich das Rad dadurch zu
drehen.
Weitere Versuche
Bei so hohen Feldstärken ist es dann nicht mehr
verwunderlich, dass
auch Leuchtstofflampen zünden und hell aufleuchten. Durch richtige
Wahl der Leistung und Frequenz ist es möglich in den Röhren
eine
Art Knotenbildung hervorzurufen. Das geht am besten, wenn man die
Leistung
so lange verringert, bis die Röhre schon fast erlischt. Es gibt
dann
Stellen an denen die Röhre heller leuchtet als an anderen. Diese
Knoten
laufen aber meistens in eine Richtung. Durch Änderung der Frequenz
kann die Laufrichtung umgekehrt oder sogar angehalten werden.
Durch richtige
Wahl der Leistung ist es möglich, in einer
Entladungsröhre (aus einem Pausgerät) eine Art Knotenbildung
hervorzurufen. Die Knoten entstehen wie bei der Geißler-Röhre
durch Laufzeiteffekte der Ladungsträger und nicht etwa durch die
eingespeiste Frequenz.
Das dazugehörige Video zeigt, wie sich die Knoten
bewegen. Sie sind
fast in ihrer natürlichen Farbe (leider etwas blass)
wiedergegeben.
Die Konten bleiben nicht stabil an einer Stelle stehen, sondern bilden
sich immer wieder neu. Das liegt hauptsächlich an der inhomogenen
Feldverteilung, die in die Röhre eingekoppelt wird. Bei der Geißler-Röhre
hingegen ist das Feld gleichmäßiger verteilt und die
Scheiben
bleiben ruhig stehen.
Es
ist bei so einem Teslatrafo auch möglich, unbeschadet einen Funken
aus der Spitze "herauszuziehen". Trotz der beachtlichen
Funkenlänge
spürt man außer einer leichteren Erwärmung nichts. Man
sollte aber bei solchen Versuchen trotzdem darauf achten, nicht direkt
mit dem Funken in Berührung zu kommen. Man kann wie hier ein
Stück
Kupferdraht oder einen Fingerhut verwenden. Denn der Lichtbogen ist wie
schon seine Farbe verrät sehr heiß und kann richtige
Löcher
in die Finger "bohren".
Bei diesem Versuch ist die Ablenkung des Lichtbogens durch das
Magnetfeld
der Spule gut zu erkennen. Der Lichtbogen verläuft dann nicht
geradlinig,
sondern wie hier im Extremfall sogar um die Ecke.
Wird
eine
V-förmige Funkenstrecke verwendet, so entsteht ein
Lauffunken. Der Lichtbogen zündet an der engsten Stelle, und wird
dann durch
die
entstehende Hitze nach oben getrieben. Wenn dort dann die Funkenstrecke
zu groß wird, reißt er ab und der Vorgang wiederholt sich
von
neuem. Um das zu zeigen, muss nicht unbedingt ein Teslatrafo verwendet
werden. Dieser Effekt funktioniert mit jeder Art von Lichtbogen. Bei
höheren
Strömen kann man beobachten, dass der Lichtbogen zusätzlich
zur thermischen Strömung auch durch das Magnetfeld immer von der
Spannungsquelle
weggedrückt wird.
Um zu
zeigen, wie heiß die Entladung ist, wird in diesem Video ein
Zahnstocher angezündet. Wenn Sie das mit einem pulsenden
Teslatrafo
versuchen, ist dafür sicher viel mehr Leistung notwendig als
30W. Denn die sind im Trägermodus auf einen sehr kleinen Raum
über
der Spitze konzentriert. Da sich die Entladung auch immer an der selben
Stelle befindet werden sehr hohe Temperaturen erzeugt.
Bei
diesem Versuch sollte man aber immer bedenken, dass heiße
Luft leitend ist. Das ist auch schon im vorherigen Video zu sehen, in
dem
manchmal die Entladungen aus der Flamme herausragen. Die Flamme kann
somit
die HF bis zum Finger weiterleiten. Dann merkt man schnell, dass
der Lichtbogen viel heißer ist als die Flamme.
Da ich mir dabei schon die Finger verbrannt habe muss man dem
ganzen auch etwas positives abgewinnen. Aus den Einzelbildern kann man
sich sehr gut die Reaktionszeit berechnen. Bei 0,44 Sek. (=Einzelbild
12)
ist der erste Überschlag in meinen Finger zu sehen, bei 0,60
Sek.(=Einzelbild 16) die erste Bewegung. Daraus ergibt sich die
Reaktionszeit
von 160ms.
Am Ende des Videos ist auch schön zu sehen, wie sich der
Teslatrafo
verstimmt, wenn man die Hand zurückzieht. Die Entladung ist im
letzten
Bild schon sehr klein, da sich hier die Resonanzfrequenz wegen der
fehlenden
Kapazität (von meiner Hand) nach oben verschoben hat.