Die Physik Schülerlabor Initiative

Teslas Traum und der Tesla-Transformator

Die Experimente mit dem Tesla-Transformator bilden die historische Einführung zum Thema "Drahtlose Energieübertragung". Im 2. Teil des Versuchs wird dann die moderne drahtlose Energieübertragung über zwei induktiv gekoppelte Schwingkreise behandelt, und der Funktionsweise von berührungslosen Ladegeräten, wie sie z.B. bei Mobiltelefonen und anderen Elektrogeräten bereits Stand der Technik ist, experimentell auf den Grund gegangen.

Historisches: Nikola Tesla und sein Resonanz-Transformator

Der Erfinder, Physiker und Ingenieur Nikola Tesla hatte zum Ende des 19. Jahrhunderts einen großen Traum: Er wollte die gesamte Erde mit Energie versorgen, die er drahtlos mit Hilfe von riesigen Transformatoren versenden wollte. Diese Geräte sollten auf allen Kontinenten aufgestellt werden und Teslas Idee war es, dass jeder ein kleines handliches Empfangsgerät bei sich haben könnte, mit dem er sowohl Energie also auch Daten empfangen könnte. Dadurch könne die Welt ein "riesiges Gehirn" werden, weil jeder mit jedem kommunizieren könnte. In dieser Zeit war man noch weit entfernt von Handy, WLAN und Co., die für uns heute selbstverständlich sind. Umso interessanter ist es, sich anzusehen, welche Ideen Tesla damals für die Umsetzung dieser Vision hatte.

 

Wardenclyffe Tower

Wardenclyffe Tower, Long Island, 1904

Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Tesla_Broadcast_Tower_1904.jpeg

Tesla wollte Information und Energie gleichzeitig übertragen. Die Sendegeräte dafür sollten riesige Resonanz-Transformatoren sein.

Im Bild links zu sehen ist das experimentelle Modell, das Nikola Tesla hat bauen lassen, der sog. "Wardenclyffe Tower". Der Bau begann 1901, das Bild stammt aus dem Jahr 1904. Der Kuppeldurchmesser beträgt 20m. Der Turm wurde allerdings mangels Finanzierung nie komplett fertig gestellt und im Jahr 1917 abgerissen. Der Transformator hätte allerdings ohnehin nie funktioniert, da die Spule viel zu groß war. Man kann zeigen, dass es eine Maximalgröße für solche Spulen gibt, oberhalb derer die Funkenentladung abreißt.

Diesen Resonanz-Transformatortyp, der sogar nach Nikola Tesla benannt ist, nennt man Tesla-Transformator.

Der untenstehende Schaltplan zeigt, wie so ein Transformator prinzipiell funktioniert.

Der Tesla-Transformator ist ein Resonanztransformator, bei dem die Primärseite wie ein typischer elektrischer Schwingkreis aufgebaut ist. Er besteht aus der Primärspule LP, dem Kondensator C, einer Funkenstrecke F und wird mit einer Wechselspannung U angetrieben. Die Sekundärseite besteht aus einer langen geerdeten Spule LS mit sehr vielen Windungen und bildet mit ihrer Eigenkapazität (zwischen oberem und unterem Ende/Erde) ebenfalls einen Schwingkreis. Beide Schwingkreise sind so gebaut, dass sie dieselbe Resonanzfrequenz besitzen. Die Sekundärspule befindet sich im Magnetfeld der Primärspule, sodass eine induktive Kopplung zwischen beiden Spulen vorliegt (die Kopplung ist hier so gut, dass man keinen Eisenkern benötigt, wie man sie bei klassischen Transformatoren zum Koppeln der Spulen verwendet). Zum Betrieb wird nun der Kondensator C mit der Spannungsquelle U aufgeladen. Wird die Spannung groß genug, zündet die Funkenstrecke, die als schneller Schalter dient, und der Schwingkreis im Primärkreis wird geschlossen und schwingt mit seiner Resonanzfrequenz. Über die resonante induktive Kopplung wird die Schwingung im Sekundärkreis angeregt und man erhält an der Sekundärspule eine sehr große und hochfrequente Wechselspannung (Größenordnung ca. 100kV Hochspannung, 500kHz Frequenz).

Schaltskizze Tesla-Transformator

Schaltskizze zum Tesla-Transformator

Der Tesla-Transformator sendet also in alle Raumrichtungen elektromagnetische Wellen hoher Frequenz aus. Man kann damit schon mit einem kleinen Tesla-Transformator, den man auf dem Tisch aufbauen kann, tatsächlich z.B. Leuchtstoffröhren in der näheren Umgebung von etwa 1m zum Leuchten bringen. Allerdings ist man weit von Teslas Vision entfernt, nutzbringend Energie über weite Strecken zu transferieren.

Der Tesla-Transformator im Schülerlabor

Tesla-Transformator im Schülerlabor

In unserem Schülerlabor haben wir einen Tesla-Transformator mit zwei verschiedenen Sekundärspulenlängen zur Verfügung. Das Gerät ist sicher und für den Umgang mit Schülern geeignet. Wir können damit Spannungen bis über 100kV erzeugen. Selbstverständlich ist bei den Schülerversuchen immer geschultes Betreuungspersonal anwesend.

Schüler können selbst in verschiedenen hochfaszinierenden Experimenten ausprobieren, wie und in welchem Ausmaß Energie von ihm ausgesendet wird. Er bietet einzigartige Möglichkeiten, mit hohen Spannungen zu experimentieren. Desweiteren wird das manchmal recht trockene Thema "Schwingkreis" damit erfahrbar gemacht und auf motivierende Weise behandelt. Die Anregung gelingt nur, wenn der richtige Abgriff an der Primärspule gewählt wird, da nur dann der Resonanzfall eintritt und der Transformator ansonsten schlichtweg nicht funkioniert.