Klein-Teslatrafo im Trägerbetrieb
Mini-Teslatrafo Das ist der kleine Teslatrafo, an dem man sehr gut die Eigenschaften von Teslaresonatoren studieren kann. Er wird vom 30W Röhren Mittelwellensender oder auch vom 40W Transistor Mittelwellensender gespeist und erzeugt sehr störarme und stabile Funken (Lichtbögen) von ca. 2cm Länge. Die Funken sind im Vergleich zu pulsenden Teslaanlagen kürzer, aber dafür sehr heiß und schmelzen problemlos Glas. Die erreichten Spannungen sind allerdings nicht so hoch, dass eine größere Entladungselektrode verwendet werden könnte. Um einen Durchbruch in der Luft zu erreichen, wurde eine Messingspitze verwendet. Die dadurch fehlende Kapazität im Sekundär-Schwingkreis wird durch die hohe und schmale Bauform etwas ausgeglichen. Eine genauere Beschreibung der Funktionsweise eines Teslatrafos ist beim Vortrag zum Teslatrafo zu finden.

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.



Funkenbildung
Spitzenentladung Dieses Photo zeigt die Entladung an der Spitze des Teslatrafos. Die Entladung steht sehr ruhig an einer Stelle, da die Luft nie auskühlen kann. Es wird immer wieder die gleiche Stelle ionisiert. Die Verästelungen an den Randbereichen des immer ionisierten Kernes sind andeutungsweise zu erkennen. Durch die relativ lange Belichtungszeit sind sie allerdings etwas verwischt. Die blaue Farbe zeigt, dass hier sehr hohe Temperaturen im Funken herrschen. Bei so hohen Temperaturen verbindet sich der Stickstoff mit dem Sauerstoff in der Luft. Dadurch entstehen die Stickoxide NO und NO2. Das ist auch der Grund, warum, so ein Funken einen eigenen Geruch (keinen Ozongeruch) verbreitet.

MPEG-Video 270kB 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.

Sprühentladung 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.

Sprühentlatung 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.

Sprühentlatung 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.


Tonerzeugung im Funken

Zerstreute Entladung Einer der schönsten Versuche mit diesem Teslatrafo ist der Betrieb mit modulierter HF. Wenn man dem MW-Sender ein NF-Signal einspielt, dann ändert sich seine Ausgangsspannung im Takt der NF. Für die räumliche Ausdehnung (=Hitze aus der zugeführten Leistung) des Lichtbogens ist aber nur die Größe und nicht die Polarität der Trägerschwingung ausschlaggebend. Es entsteht somit eine "Gleichrichtung" des HF-Signals, was einer Demodulation durch den Funken in der Luft gleichkommt. Dadurch ändert sich die Intensität der Entladung im Takt der NF, wodurch Druckunterschiede in der Luft erzeugt werden, zusätzlich werden die Entladung etwas zerstreut. (Vergleich mit dem Bild bei unmodulierter HF). Das NF-Signal scheint wie aus einem Lautsprecher aus der Spitze des Teslatrafos zu kommen. Wie aus dem Nichts spielt der Funken am Teslatrafo dann Musik.

MPEG-Video 525kB Durch die Änderung der Intensität der Entladung, werden Druckunterschiede in der Luft erzeugt, die als Ton hörbar werden. Die Musik scheint wie aus dem Nichts aus der Spitze des Teslatrafos zu kommen.
Im Video ist die Musik so schön zu hören, dass man fast meinen könnte, sie wurde nachträglich eingespielt. Das war aber nicht so. Die Musik klingt so klar aus dem Funken, dass man meinen könnte einen Lautsprecher vor sich zu haben.
Wenn man genau hinsieht, kann man auch erkennen, wie sich der Funken mit der Modulation verändert. Wenn man genau hinhört, kann man auch noch leicht das Zischen der Entladung ähnlich dem vorherigen Video hören. Diese ist im Vergleich zum aufmodulierten Signal aber sehr gering. (Vielleicht drehen Sie die Bässe mal etwas zurück).
Abschließend sei noch angemerkt, dass für diese Aufnahme die Leistung und Aussteuerung des Senders auf beste Musikqualität abgestimmt wurde. Deshalb ist die Entladung auch nicht so groß wie im vorherigen Video.

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...


Versuche mit 
HF-Glühbirne Die Feldstärke um den Resonator herum ist so hoch, dass bei der Annäherung einer Glühbirne das Gas im Inneren sofort ionisiert wird und zu leuchten beginnt. Durch Anlegen einer geringen Spannung wird der Glühfaden sichtbar und das Gas kann leichter ionisiert werden.

Ionisierte Glühbirne Die Feldstärke um den Resonator herum ist so hoch, dass bei der Annäherung einer Glühbirne das Gas im Inneren sofort zu leuchten beginnt. Da eine konstante Trägerschwingung erzeugt wird, kann man die Glühbirne problemlos in der Hand halten ohne dabei etwas zu spüren. Auf die Spitze des Teslatrafos wurde eine Kugel gesteckt, um unnötigen Leistungsverlust durch den Funken zu vermeiden. Die Glühbirne erwärmt sich beachtlich und das lässt auf die übertragene Leistung schließen.

MPEG-Video 421kB 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
Ionisierte Leuchtstoffröhren 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.

MPEG-Video 305kB 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.

Eck-Funken 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.

MPEG-Video 327kB 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.

MPEG-Video 384kB 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.

MPEG-Video 179kB 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.

Jeder, der bis jetzt nur pulsende Teslaanlagen kennt, wird sicher Gefallen an den ruhigen Funken finden. Für den Neueinsteiger auf diesem Gebiet ist der Träger-Teslatrafos sicher ein schöner Beginn. Die erzeugten Feldstärken sind mitunter größer als bei pulsenden Anlagen und es ist auch relativ gefahrlos möglich, mit den Funken zu arbeiten. 

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