A generátorok kifejlesztése közben Tesla megismételte Hertz elektromágneses hullámokkal végzett kísérleteit, mivel Párizsban „elragadott a lelkesedés tüze, és meglehetősen égtem a vágytól, hogy a saját szememmel lássam a csodát.” Ez a lelkesedés vezetett az egyik leghíresebb találmányához, a Tesla-tekercshez.
Az indukciós tekercs és Hertz kísérletei
Hertz az elektromágneses hullámok előállítása és kimutatása céljából végzett klasszikus kísérleteiben egy nagy teljesítményű indukciós tekercset használt, amelyet egy akkumulátorhoz, egy árammegszakítóhoz és egy szikraközhöz csatlakoztatott. Kísérleteinek értékeléséhez azonban először meg kell értenünk ennek az indukciós tekercsnek a működését. A Ruhmkorff-tekercs néven ismert indukciós tekercsben két tekercselés volt - az egyik vastag huzalból, a másik pedig vékony huzalból készült -, amelyek paraffin vagy guttapercha felhasználásával gondosan el voltak szigetelve egymástól, és egy közös vasmag köré voltak tekercselve. Mint a transzformátorban, a vastag tekercset primer tekercsnek hívták, a vékony tekercset pedig szekunder tekercsnek. Akárcsak a transzformátor esetében, az indukciós tekercs az áramváltozás hatására nagyfeszültségű szikrákat bocsátott ki. Ezért amikor az árammegszakító nyitotta vagy zárta az áramkört, az akkumulátorból a primer tekercsbe folyó áram mennyisége megváltozott, és emiatt a primer tekercs körüli elektromágneses mező kitágult vagy összement. Mivel a primer tér megváltozott, áramot indukált a szekunder tekercsben. A huzalok eltérő vastagsága miatt a szekunder tekercs sokkal több fordulatot tett meg, mint a primer tekercs, ami nagyban megnövelte a szekunder tekercsben indukált áram feszültségét. Mivel a szekunder tekercsben keletkező feszültség olyan magas volt, ionizálni tudta a levegőt a szikraközben, amely lehetővé tette, hogy egy szikra átüssön a kapcsok között. A gondosan megépített indukciós tekercsek olyan szikrákat bocsátottak ki, amelyek át tudtak ugrani egy tizenhat hüvelyk (40 cm) nagyságú közt.
1887 előtt Hertz több kísérletet végzett egy indukciós tekerccsel, amelyben szikrákat állított elő a szekunder tekercsben, amikor az árammegszakító nyitotta a primer áramkört a berendezésben. Ahogyan a kiváló rádiótörténész, Hugh Aitken emlékeztet bennünket, ezek a szikrák „természetesen hirtelen elektromos áram löketet jelentenek, pontosan azt a fajta elektromos töltésáramlást, amely a Maxwell-egyenletek szerint elektromágneses sugárzást hoz létre.” Hertz észrevehette, hogy minden alkalommal, amikor az indukciós tekercsben szikrák keletkeztek, egy szikraközös rézhurok segítségével a laboratórium más részein is ki tudott mutatni szikrákat.
Tesla fejlesztései és az oszcilláló transzformátor
1890-ben Tesla megismételte Hertz kísérleteit, és könnyen lehet, hogy Amerikában ő volt az első kutató, aki ezt tette. Tesla nem volt megelégedve a Hertz által használt berendezéssel, ezért megváltoztatta a kísérleti elrendezést. Magától értetődő lépés volt a mechanikus árammegszakító helyett Tesla nagyfrekvenciás generátorának alkalmazása. Ahelyett, hogy a készülék a mechanikai megszakító által termelt néhány száz ciklus per másodperccel működne, miért ne működne inkább az ő generátora által előállított 10-20.000 ciklus per másodperc frekvencián?
Tesla hamar felfedezte, hogy a frekvencia növekedésével egyidejűleg a keletkező hő mennyisége is növekedett, ami megolvasztotta a paraffin vagy guttapercha szigetelést a primer és szekunder tekercsek között az indukciós tekercs belsejében. A probléma megoldása érdekében két módosítást hajtott végre: megszabadult a szigeteléstől és helyette az indukciós tekercsekben légrést iktatott be, illetve újratervezte a vasmagot, hogy az mozgatható legyen.
Bámulatos Tesla-tekercs
A kondenzátorok terén Tesla rájött, hogy a kondenzátor és indukciós tekercs gondos beállításával még magasabb frekvenciaszinteket lehet elérni. Mivel Sir William Thomson bebizonyította, hogy a kondenzátor kisülése rezgési folyamat, Tesla felismerte, hogy ha minden elektrosztatikus kisülést vagy „lökést” össze tudna illeszteni úgy, hogy az egybeessen az indukált áram minden egyes maximumával, akkor növelni tudná az indukciós tekercs által termelt áram feszültségét. Ezzel Tesla kihasználta a rezonancia elvét. A kondenzátor és az indukciós tekercs beállítása révén keltett rezonancia segítségével Tesla hamarosan olyan áramot tudott előállítani, amely másodpercenként akár harmincezer alkalommal váltakozott. Ezt a találmányt oszcilláló transzformátornak nevezte el, de ahogy egyre több kutató kezdte el használni, a berendezés Tesla-tekercsként vált ismertté.
A Tesla-tekercs felépítése és működése
A Tesla-tekercs egy lenyűgöző találmány, amelyet Nikola Tesla fejlesztett ki 1891-ben. Ez az elektromos rezonáns transzformátor áramkör magas feszültségű, alacsony áramerősségű, nagyfrekvenciás váltakozó áramot állít elő. A Tesla tekercs két fő részből áll: egy primer és egy szekunder tekercsből, amelyek mindegyike saját kondenzátorral rendelkezik. A primer tekercs egy nagyfeszültségű áramforráshoz csatlakozik, és egy szikraköz segítségével kapcsolódik a kondenzátorhoz. A primer LC (induktor-kondenzátor) áramkör feltöltődik az áramforrás által, és energiát tárol a kondenzátorban. Amikor a szikraköz áthidal, a primer LC áramkörben tárolt energia oszcillálni kezd, és változó mágneses mezőt hoz létre. A szekunder LC áramkör, amely közel van a primerhez, felveszi ezt az energiát a változó mágneses mező miatt, így áramot indukál a szekunder tekercsben.
Élettani hatások és biztonság
A nagyfrekvenciás generátor és az oszcilláló transzformátor együttes alkalmazásával Tesla hamarosan megtapasztalhatta a nagyfrekvenciás áram fiziológiai hatásait. Kísérletei korai szakaszában véletlenül megérintette egy oszcilláló transzformátor kimenetét, és a nagyfrekvenciájú áram áthaladt a testén. Legnagyobb meglepetésére nem sérült meg. Tesla rájött, hogy a tekercs önindukciója és a magas frekvencia következtében a szekunder tekercsben generált áram magas feszültségű, de kis áramerősségű volt. Sőt, mai ismereteink szerint, az áram a rádiófrekvenciás tartományban áthalad az emberi test felületén és a rövid behatás nem károsítja az idegeket és a belső szerveket. Ennek a következtetésnek potenciális biztonsági haszna volt, hiszen a nagyfeszültségű váltakozó áram okozta áramütés elkerülésének egyik módja, hogy növelik a meglévő elosztási rendszerekben használt frekvenciát.
Gyakorlati útmutató kísérletezőknek
Ha kedvet kaptál a kísérletezgetésre, a Tesla-tekercs megépítése izgalmas kihívás. A megépítése nem kerül sokba, ha ügyesen válogatod össze az alkatrészeket. A fojtótekercs nagy induktivitását használjuk a nagy feszültség eléréséhez. Lesz egy szaggató mechanika, ami állandóan szaggatni fogja a tekercs áramkörét. Ezt a nagy feszültséget fogja a Tesla-tekercs többi része még jobban felerősíteni.
Szükséges alkatrészek:
- Fojtótekercs: Neoncsövek foglalatában található, nagy induktivitású alkatrész.
- Kondenzátor: 30 nF és 50 nF közötti kapacitás elérése a cél; érdemes több kondenzátort sorba kötni a 4000 Voltos terhelhetőség érdekében.
- Vékony rézdrót: A szekunder tekercshez, kb. 0.1-0.25 mm átmérővel. Kb. 1500 menetre van szükség.
- Vastag rézdrót: A primer tekercshez, 6-8 menettel.
- Egyenáramú motor: A szaggató mechanika forgatásához.
- Műanyag cső: A szekunder tekercs hordozója.
A szekunder tekercs feltekercselése az egyik legidőigényesebb feladat, körülbelül 376 méternyi drótot kell óvatosan a csőre tekerni. A szaggató mechanika egy tárcsából áll, amelynek kerületén fémérintkezők helyezkednek el, ezek biztosítják a megszakításokat a primer körben. A szikrák nagyságát a motor fordulatszámának és a kondenzátor-tekercs viszonyának finomhangolásával érhetjük el.
Alkalmazások és bemutatók
A Tesla-tekercs nemcsak a tudományos kutatásokban és az oktatásban játszik fontos szerepet, hanem a szórakoztatóiparban is látványos alkalmazásokat találhatunk. A Tesla tekercsek látványos elektromos kisüléseket hoznak létre, amelyek gyakran használatosak filmekben, televíziós műsorokban és zenei előadásokban. Oktatási célból kiválóan alkalmasak az elektromágnesesség és a rezonancia elveinek bemutatására, míg a tudományos kutatásban plazmafizikai kísérletekhez használják.
A kísérletezés során olyan klasszikus bemutatókat hajthatsz végre, mint a neoncső vezeték nélküli világítása, vagy a „jósnő trükk”, ahol a villanyégő a kezedben világít a tekercs közelében. A biztonság azonban mindig elsődleges: bár a nagyfrekvenciás áram a bőrhatás miatt kevésbé veszélyes, a nagyfeszültségű berendezések kezelése körültekintést igényel. A Tesla-tekercs egy lenyűgöző találmány, amely számos területen alkalmazható, és továbbra is inspirálja a tudományos és technológiai fejlődést.