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Stefan Binder
Der Tesla-Generator in Theorie und Praxis

1. Einleitung

Schon in der Antike wirkten Blitze auf den Menschen sowohl furchteinflößend als auch faszinierend. Nicht umsonst besitzen die mächtigsten Götter der Mythologie die Macht über Blitz und Donner. Daher wirkt der Wunsch, Blitze selbst zu erzeugen, nicht verwunderlich. Ein Tesla-Generator gibt seinem Benutzer die Möglichkeit - quasi im Wohnzimmer - gewaltige Blitzgewitter zu erzeugen - auf relativ ungefährliche Weise.

1.1. Nikola Teslas Biographie

"Frag‘ einen Schüler: "Wer hat das Radio erfunden?" Wenn du überhaupt eine Antwort bekommst, wird sie "Marconi" lauten. Eine Antwort, mit der alle Enzyklopädien und Lehrbücher übereinstimmen. Oder frag‘ jemanden: "Wer hat das Zeug erfunden, das den Toaster, die Stereoanlage, die Straßenbeleuchtung, Fabriken und Büros zum Funktionieren bringt?" Die Antwort wird "Thomas Edison" lauten, oder? Beide Male falsch. Die korrekte Antwort ist Nikola Tesla, eine Person, von der du wahrscheinlich auch noch nie gehört hast. Aber es kommt noch mehr: Es scheint, als hätte er die Röntgenstrahlung ein Jahr vor Wilhelm Röntgen entdeckt, er hat einen Röhrenverstärker gebaut, Jahre vor Lee de Forest, er setzte in seinem Labor Leuchtstoffröhren ein, 40 Jahre, bevor sie die Industrie "erfunden" hat, und er demonstrierte die Prinzipien von Mikrowellenherden und RADAR, Jahrzehnte, bevor sie ein fester Bestandteil unserer Gesellschaft wurden. Trotzdem verbindet man seinen Namen mit keinem von diesen. [...] Eine andere Erfindung Teslas, die jeder kennt, der jemals ein Auto besaß, wurde 1898 unter dem Namen "electrical ignitor for gas engines" patentiert, besser bekannt als die Zündanlage eines Autos. Ihre Hauptkomponente, die Zündspule, wurde seit ihrer Einführung praktisch nicht verändert. Nikola Tesla plante und baute auch Prototypen einer einzigartigen Rotationsverbrennungsmaschine, die auf einem seiner früheren Designs einer Rotationspumpe basierte."
[Zitat aus [I]/Übersetzung aus dem Englischen]

"Der kroatisch-amerikanische Elektrotechniker und Erfinder Nikola Tesla, geboren am 9. Juli 1856, gestorben am 7. Januar 1943, machte den Wechselstrom praktisch nutzbar. Nach dem er 1884 in die USA emigriert war, arbeitete er kurzzeitig für Thomas Edison. 1888 demonstrierte er, wie ein magnetisches Feld zur Rotation gebracht werden konnte, wenn zwei im richtigen Winkel zueinander angeordnete Spulen mit zwei um 90° phasenverschobenen Wechselströmen versorgt wurden. Tesla ließ sich diesen Wechselstrommotor patentieren, der von Georg Westinghouse gekauft wurde, und die Basis für das Westinghouse Energieversorgungssystem bildete. Nach 1903 leistete Tesla beachtenswerte Forschungsarbeit, die Hochspannung, Transformatoren, Telefon- und Telegraphensysteme, sowie drahtlose Energieübertragung umfaßte."
[Zitat aus [II]/Übersetzung aus dem Englischen]

Trotz all dieser Erfindungen, die aus unserer heutigen Gesellschaft kaum mehr wegzudenken sind, ist Teslas berühmteste Erfindung der nach ihm benannte Tesla-Generator. Mit einem dieser Apparaturen stellte er 1899 in Colorado Springs einen Rekord für künstlich erzeugte Blitze auf: Indem er die gesamte Erde als Energiespeicher benutzte, erzeugte er Entladungen von 42m Länge (dabei wurde jedoch ein Generator des Kraftwerks, das den Tesla-Generator mit Strom versorgte, überlastet und in Brand gesetzt, deshalb mußte das Experiment vorzeitig abgebrochen werden).
[Sinngemäß nach [XI]]

 

2. Funktionsweise des Tesla-Generators

2.1. Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Tesla-Generators

Ein Tesla-Generator ist ein impulsbetriebener Transformator mit Luftkern im Resonanzmodus. Der Primärkreis wird gebildet aus einem Kondensator, einer Primärspule und einer Funkenstrecke. Mit Hilfe einer Hochspannungsversorgung wird der Kondensator, der mit der Spule in Reihe geschaltet ist, geladen. Wenn die Überschlagspannung der Funkenstrecke, die parallel zu Kondensator und Spule liegt, erreicht ist, zündet diese und bildet ein niederohmiges Plasma – der Schwingkreis ist geschlossen und schwingt mit seiner Resonanzfrequenz. Der Sekundärkreis besteht aus einer länglichen Luftspule, deren unteres Ende geerdet ist, und deren oberes Ende mit einem Entladungsterminal, einer metallischen Kugel oder einem Torus abgeschlossen ist. Diese Sekundärspule wird auch als Tesla-Spule bezeichnet. Die Induktivität der Tesla-Spule erzeugt in Verbindung der Kapazität, die durch die benachbarten Windungen und dem Entladungsterminal gebildet wird, ebenfalls einen Schwingkreis, der dieselbe Resonanzfrequenz wie der Primärkreis besitzt. Die Primärspule gibt nun die Energie des Schwingkreises an die in ihrer Mitte stehenden Sekundärspule weiter, wo Spannungen von bis zu mehreren Millionen Volt entstehen, die zu spektakulären elektrischen Entladungen führen.

Alternativ zu dem in Abb. 2 gezeigten Design ist auch eine Schaltung wie in Abb. 3 möglich, diese wirkt sich zwar nicht auf die Leistung des Tesla-Generators aus, jedoch gelangen wesentlich mehr Hochfrequenzschwingungen in die Hochspannungsversorgung.
[VIII]


Abb. 2: Schaltplan eines Tesla-Generators


Abb. 3: Alternativer Schaltplan

2.2. Theorie der elektrischen Entladung

Um die Entladung eines Tesla-Generators besser verstehen zu können, soll zunächst das Entstehen eines natürlichen Blitzes betrachtet werden.

2.2.1. Natürlicher Blitz

Wenn eine Gewitterwolke eine genügend hohe, meist negative Ladung akkumuliert hat, entsteht an ihrem unteren Ende bei einer Feldstärke von 3-4 kV/cm eine Koronaentladung. Die negativen Ionen bilden einen schmalen, leitfähigen Kanal, an dessen Spitze eine hohe Feldstärke herrscht, wodurch sich die Ionisation fortsetzt. Die Plasmadichte in diesem sogenannten Stepped Leader ist relativ gering, so daß nur wenige Atome zur Aussendung von Licht angeregt werden, deshalb ist er mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Während einer Zeit von mehreren ms wandert der Stepped Leader einige Meter, und verweilt dann für etwa 50ms, pflanzt sich dann weiter fort, usw. Während der Stepped Leader wächst, bildet er bevorzugt an Verunreinigungen in der Luft (Staub,...) Knicke, wodurch das typische Aussehen eines Blitzes bestimmt wird. Da an diesen Knicken hohe Feldstärken herrschen, bilden sich dort eventuell weitere Stepped Leader, also Verzweigungen, wie sie bei vielen Blitzen beobachtet werden können. Nähert sich dieser stark negativ geladene Stepped Leader dem Erdboden, entstehen hier durch Influenz positiv geladene Stepped Leader, die dem negativen entgegenstreben. Treffen nun zwei dieser "Vorblitze" aufeinander, so ist der Kontakt zwischen Wolke und Erde geschlossen, eine gewaltige Energiemenge entlädt sich durch den Plasmakanal. Durch die hohe Plasmadichte werden viele Atome zum Leuchten angeregt, der Blitz wird sichtbar. In Verzweigungen des Stepped Leaders, die nicht die Erde erreicht haben, findet wegen ihrer Kapazität eine Ladungsverschiebung statt, deshalb sind diese ebenfalls sichtbar - wenn auch deutlich schwächer als der eigentliche Blitz.
[Sinngemäß nach [III] und [IV]] 

Abb.4: Natürlicher Blitz

2.2.2. Entladung eines Tesla-Generators

Ähnlich wie natürliche Blitze weisen die von Tesla-Generatoren erzeugten Entladungen ein dentritenartiges Aussehen auf, jedoch "hängen" diese in der Luft und benötigen keine geerdete Elektrode. Wie kommt es zu dieser merkwürdigen Erscheinung, die als Streamer bezeichnet wird? Im günstigsten Fall wird die gesamte Energie, die anfangs im Primärkondensator gespeichert ist, in die Tesla-Spule übertragen. Da für die in einem Kondensator gespeicherte Energie gilt:

ist wegen der Energieerhaltung

Da die Sekundärkapazität wesentlich geringer ist als die Primärkapazität, entsteht in der Tesla-Spule eine sehr hohe Spannung, die jedoch bei der Durchbruchspannung von Luft (10-30kV/cm) zu gering wäre um die für Tesla-Generatoren typischen, extrem langen Streamer zu erzeugen1.
Die Entladung eines Tesla-Generators muß also einem anderen Muster folgen als ein natürlicher Blitz. In der Praxis hat sich gezeigt, daß nicht nur die Primärspannung und –kapazität (also die im Primärkondensator gespeicherte Energiemenge) für die Blitzlänge verantwortlich sind, sondern auch die Entladungsfrequenz des Primärkondensators. Die Blitzlänge ist also abhängig von Energiemenge x Entladungsfrequenz, also von der zugeführten Leistung.
Daraus wurde eine Theorie entwickelt: Nach der Entladung des Primärkondensators entsteht im Primärkreis eine gedämpfte Schwingung, die Energie in die Sekundärspule überträgt, wo sich die Amplitude der Schwingung aufschaukelt. Wenn diese Amplitude hoch genug ist, entsteht an einer Stelle des Entladungsterminals eine Koronaentladung, die sich ähnlich einem Stepped Leader fortpflanzt. Da der Tesla-Generator, im Gegensatz zu einer Gewitterwolke, eine Wechselspannung mit einer Frequenz von einigen hundert kHz erzeugt, fließt in dem Streamer, der eine gewisse Kapazität besitzt, ständig ein Strom, wodurch die Plasmadichte erhöht wird, und eine sichtbare Entladung entsteht. Durch eine einzige, gedämpfte Schwingung im Tesla-Generator ist nun ein relativ kleiner Streamer entstanden, der bei der nächsten Kondensatorentladung wieder mit Energie versorgt wird, und weiterwachsen kann. Dieses Wachstum endet, wenn sich zugeführte Energie und Verluste ausgleichen. Verluste entstehen dadurch, daß zwischen zwei Kondensatorentladungen relativ viel Zeit vergeht, in der die Ionen des Plasmas wieder neutral werden. Wenn die Zündfrequenz der Funkenstrecke zu gering ist, wird das gesamte Plasma nach jeder Entladung wieder neutral, es entstehen nur sehr kurze Streamer.
[VIII]

Abb. 5: Etwa 55cm lange, dentritenartig verzweigte Streamer

 

3. Komponenten eines Tesla-Generators

3.1. Die Hochspannungsversorgung

Die Streamerlänge eines Tesla-Generators hängt hauptsächlich von der Ausgangsleistung der Hochspannungsversorgung ab. Diese sollte mindestens eine Spannung von 5 kV und einen Strom von 20 mA (100 W) liefern. Spannungen von bis zu 15kV und Leistungen von 5 kW und mehr sind jedoch keine Seltenheit. Als Hochspannungsquellen werden meist Hochspannungstransformatoren für Neonreklame (NSTs) verwendet. Eine weitere Möglichkeit sind Zündtransformatoren aus Ölheizungen (OBITs), die jedoch im Allgemeinen nur 3 Minuten ununterbrochen betrieben werden dürfen, und 50% ED besitzen. Für kleine Tesla-Generatoren eigenen sich auch Kfz-Zündspulen oder Zeilentrafos aus Fernsehern. Für große Tesla-Generatoren werden in Amerika Einphasen-Umspanntransformatoren mit einer Leistung zwischen 1kW und 10kW verwendet, die jedoch im deutschen Drehstromnetz nicht gebräuchlich sind. [VIII]

3.2. Der Kondensator

Kondensatoren in Tesla-Generatoren haben – je nach Ausgangsleistung der Hochspannungsversorgung und Resonanzfrequenz der Tesla-Spule – eine Kapazität von 1 nF bis etwa 100 nF. Wegen der hohen Spitzenspannung im Resonanzkreis und der hohen Frequenz sollte der Kondensator eine Spannungsfestigkeit von einem Vierfachen der Eingangsspannung aufweisen, außerdem muß der Kondensator gut gegen Koronaentladungen, die durch die hohe Frequenz auftreten, isoliert sein, da sonst das Dielektrikum Schaden nehmen kann, wodurch der Kondensator zerstört wird. In vielen Tesla-Generatoren wird die Kapazität des Kondensators so auf die sekundärseitige Induktivität des Hochspannungstransformators abgestimmt, daß beide bei Netzfrequenz dieselbe Reaktanz besitzen. So wird eine sog. Resonanzladung erreicht, wodurch eine maximale Leistungszufuhr erreicht wird. Weil Kondensatoren mit diesen Anforderungen entweder gar nicht oder nur zu sehr hohen Preisen käuflich zu erwerben sind, bauen die meisten Tesla-Enthusiasten ihre Kondensatoren selbst. Dabei werden zwei Typen bevorzugt: Erstens ölgetränkte Wickel- oder Schichtkondensatoren mit Polyäthylen als Dielektrikum und Belägen aus Aluminiumfolie, zweitens sogenannte Salzwasserkondensatoren, dabei handelt es sich um salzwassergefüllte Glasflaschen, die in ebenfalls salzwassergefüllten Bottichen stehen. Die Salzlösungen in den einzelnen Flaschen werden dabei mit Drähten verbunden und bilden die erste Platte, die Glasflaschen bilden das Dielektrikum und das Salzwasser im Bottich die zweite Platte. Wegen der hohen Spannungen ist der Ohm‘sche Widerstand der Salzlösung zu vernachlässigen. Salzwasserkondensatoren wurden schon von Nikola Tesla selbst verwendet. Vergleicht man die elektrischen Eigenschaften von Glas und Polyäthylen, so zeigt sich, daß Polyäthylen einen sehr viel geringeren dielektrischen Verlustfaktor besitzt und Durchschlagsspannung und Dielektrizitätszahl wesentlich berechenbarer sind. Des Weiteren ist Glas schwer und zerbrechlich, außerdem benötigen Salzwasserkondensatoren sehr viel Platz und sind umständlich zu transportieren.
Trotz dieser negativen Eigenschaften sind Salzwasserkondensatoren billig und einfach herzustellen, was sie für den Einsatz in Tesla-Generatoren attraktiv macht.
[VIII]
 
Stoff Dielektr. Verlust- 

Faktor 

10-3 tan d bei f=

Durch- 

Schlags- 

Festigkeit Ed 

kV/mm

Dielektrizitäts- 

konstante e r

Dichte 

g/cm3

50 Hz 1 MHz 50 Hz 1 MHz
Glas 5 8 20...50 3...14 6...16 2,5
Polyäthylen 0,2 0,2 50 2,3 2,2 0,92
Tab. 1: Elektrische Eigenschaften von Glas und Polyäthylen [Entnommen aus [VII] Tabelle 3.10]


Abb. 6: Salzwasserkondensatoren

 

3.3. Die Primärspule

Die Primärspule eines Tesla-Generators ist eine Luftspule in Form einer flachen Spirale, einer vertikal steigenden Helix oder einer Mischung aus beiden, einem umgedrehten Kegelstumpf. Die vertikal steigende Helix besitzt das ungünstigste elektromagnetische Feld, da nur der untere Teil der Tesla-Spule erregt wird, besser ist die Spiralform. Am besten jedoch ist die Form des umgedrehten Kegelstumpfes bei einem Steigungswinkel von etwa 30° . Die einzelnen Windungen haben einen Abstand von etwa einem Zentimeter, um ein räumlich ausgedehntes Magnetfeld zu erzeugen, das die gesamte Sekundärspule erregt. Da bei den hohen Frequenzen im Resonanzkreis der Skineffekt einsetzt und die Eindringtiefe des Stromes in den Leiter nur Bruchteile eines Millimeters beträgt, eignet für die Primärspule ein Kupferrohr am besten. Die Primärspule befindet sich am unteren Ende der Tesla-Spule, das geerdet ist, würde die Primärspule zu hoch moniert, käme es zu Überschlägen zwischen Tesla-Spule und Primärspule. Wichtig ist die richtige Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule: Ist sie zu lose, wird zu wenig Energie in die Tesla-Spule übertragen, bei zu fester Kopplung entstehen in der Tesla-Spule Oberwellen, die schlimmstenfalls zum Überschlag zwischen benachbarten Windungen führen können. Die Primärspule sollte etwa 5-15 Windungen besitzen. Da die Spannungssteigerung in der Sekundärspule nicht durch das Windungsverhältnis, sondern durch Resonanz zustande kommt, ist eine hohe Windungszahl keineswegs ungünstig, sondern sorgt durch ihr räumlich ausgedehntes Magnetfeld für eine effektive Energieübertragung zwischen Primär- und Sekundärkreis.
[Sinngemäß nach [V]]

3.4. Die Funkenstrecke

Die Funkenstrecke ist das kritischste Bauelement eines Tesla-Generators, da sie, wenn sie schlecht konstruiert ist, dessen Leistung mehr als jedes andere Bauteil einschränken kann. Die Funkenstrecke besteht im einfachsten Fall aus zwei Elektroden, die so weit voneinander entfernt sind, daß noch regelmäßig Funken überspringen (beim deutschen 50Hz-Stromnetz 100 mal pro Sekunde). Dieses Design hat allerdings den Nachteil, daß der Funke relativ langlebig ist, und noch leitet, wenn der Primärkreis keine Energie mehr besitzt, die Energie der Sekundärspule wird wieder in den Primärkreis übertragen, was die Ausgangsspannung des Tesla-Generators drastisch reduziert. Bei großer Transformatorleistung und kleiner Kapazität des Primärkondensators kann es schlimmstenfalls zur Ausbildung eines Lichtbogens kommen – der Tesla-Generator arbeitet überhaupt nicht mehr.
Um nun der Funken möglichst schnell zu löschen, zu "quenchen", muß die Hitze des Plasmas effektiv abgeführt werden. Dies geschieht, indem mehrere Funkenstrecken in Serie geschaltet werden, dadurch wird ein langer Funke in mehrere kurze Funken "zerlegt", von jedem dieser kurzen Funken wird nun von zwei Seiten durch die Elektroden Hitze abgeführt.


Abb. 7: Serienfunkenstrecke

Am effektivsten sind allerdings sog. rotierende Funkenstrecken, bei denen Elektroden, die kreisförmig auf einer rotierenden Isolatorscheibe montiert sind, zwischen zwei feststehenden Elektroden rotieren, und so mit definierter Frequenz die Funkenstrecke zünden und wieder löschen. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, daß ein "Ventilatoreffekt" eintritt, wodurch die Elektroden luftgekühlt werden, was auch den Verschleiß reduziert.
Als Elektrodenmaterialien eignen sich am besten Wolfram oder Stahl, da wegen ihrer hohen Siedepunkte höhere Standzeiten aufweisen. Aluminium, Kupfer und Messing sind aber auch gängig.
[VIII]


Abb. 8: Rotierende Funkenstrecke

3.5. Der Entladungsterminal

Ein Entladungsterminal hat verschiedene Vorteile:

Da der Hochspannungsterminal keine Spitzen oder Kanten aufweisen darf, an denen Koronaentladungen stattfinden könnten, kommen nur zwei Formen in Frage: Eine Kugel oder ein Torus. Der Torus wird jedoch aus folgenden Gründen meist der Kugel vorgezogen: [sinngemäß nach [VI]]

 

3.6. Die Tesla-Spule

Die Tesla-Spule besteht im allgemeinen aus ca. 1000 Windungen Kupferlackdraht, die auf ein Kunststoffrohr gewickelt sind. Die Windungen werden parallel aufgebracht und sollten sich nicht überlappen, da es sonst zu Leistungseinbußen, schlimmstenfalls zu Überschlägen zwischen einzelnen Windungen kommen kann. Als Material für den Spulenkörper eignet sich am besten Kunststoff, da es einen hohen Widerstand besitzt und geringe Hochfrequenzverluste aufweist. Die Spule wird schließlich noch mit einer Schicht Epoxidharz oder flüssigem Kunststoff überzogen, um sie vor mechanischen Beschädigungen zu schützen und Koronaentladungen zu unterdrücken. Tesla-Spulen haben im allgemeinen eine Resonanzfrequenz zwischen 50 kHz und 1 MHz. Um eine maximale Amplitude der Ausgangsspannung zu erreichen, wird eine Spulendrahtlänge von ¼ l angestrebt, so daß eine stehende Welle in der Sekundärspule entsteht (Spannungsknoten am unteren Ende, Wellenberg am Entladungsterminal).
VIII]
 

3.7. Die Erdung

Um mit einem Tesla-Generator möglichst spektakuläre Streamer und lange Blitze auf benachbarte Gegenstände zu erzeugen, ist eine gute Erdung unumgänglich (da bei einer ¼ l -Konfiguration der maximale Stromfluß am Fußpunkt der Spule herrscht). Dabei sollte allerdings nicht die Hauserdung benutzt werden, da sonst Video- oder HiFi- Geräte und Computer die abgestrahlten Radiowellen wesentlich besser aufnehmen würden, und es zur Funktionsbeeinträchtigung kommen könnte, außerdem treten bei größeren Tesla-Generatoren derartig hohe Ströme auf, daß es bei schlechten Erdverbindungen zu einer Überhitzung von Leitungen, schlimmstenfalls zum Brand kommen kann.
Als Erdung dienen meist lange Metallstäbe oder –rohre, die mehrere Meter vom Haus entfernt in die Erde getrieben werden.
[VIII]
 

4. Bau eines Tesla-Generators

4.1. Vorwort

Da der Bau von Tesla-Generatoren ein relativ seltenes Hobby ist, sind Bauteile für Tesla-Generatoren entweder gar nicht oder nur zu extrem hohen Preisen erhältlich. Deshalb müssen die meisten Bauelemente, z.B. der Entladungsterminal, Kondensatoren, Funkenstrecke selbst gebaut werden. Die Hochspannungsversorgungen werden, wie bereits erwähnt, aus anderen Bereichen zweckentfremdet, obwohl sie unter Umständen nicht sonderlich gut für den Einsatz in Tesla-Generatoren geeignet sind.
All diese Herausforderungen machen einen Tesla-Generator zu einem hochinteressanten Bauprojekt.

4.2. Die Hochspannungsversorgung

Da die bereits erwähnten Hochspannungsquellen in Europa entweder schwer zu beschaffen sind, oder nur eine geringe Ausgangsleistung besitzen, bin ich auf ein günstiges Angebot für Mikrowellentransformatoren eingegangen.
Ein Mikrowellentransformator (MOT) besitzt eine Ausgangsspannung von 2kV bei 0,3A Þ 600W. Einer der beiden Hochspannungsausgänge eines Transformators ist mit dem Gehäuse verbunden, das aus Isolationsgründen geerdet werden muß. Da 2kV für den Betrieb eines Tesla-Generators nicht ausreichen (es ist fast unmöglich eine Funkenstrecke für eine derart niedrige Spannung bei der relativ hohen Leistung zu bauen, außerdem wäre die Ausgangsspannung des Tesla-Generators sehr gering), wurden die Kerne zweier Transformatoren miteinander verbunden, und die Primäranschlüsse antiparallel mit dem Stromnetz verschaltet. So ergibt sich eine Ausgangsspannung von 4kV AC (Spitzenspannung: ca. 5,6kV).
Um die Ausgangsspannung weiter zu erhöhen, wurde später ein Levelshifter, eine Art Spannungsverdoppler, angeschlossen, wie er auch in Mikrowellenherden zum Einsatz kommt (jedoch mit der doppelten Eingangsspannung).
Während der positiven Halbwelle wird der Kondensator über die Diode geladen. Bei der negativen Halbwelle liegt dann der geladene Kondensator in Serie mit den Transformatoren, und es entsteht eine Ausgangsspannung von bis zu 11,3kV. Allerdings wird diese Spannung nur 50 mal pro Sekunde erreicht.


Abb.9: Schaltplan der MOT-Hochspannungsversorgung

Damit der Kondensator während der positiven Halbwelle die maximale Energie aufnehmen kann, muß er den selben Blindwiderstand wie die Sekundärwicklungen der Transformatoren besitzen (Resonanzzustand). In Mikrowellenherden kommt ein Kondensator mit einer Kapazität von 1m F zum Einsatz. Da sich durch die Zusammenschaltung der Transformatoren die Induktivität verdoppelt, wird also ein Kondensator mit einer Kapazität von 0,5m F benötigt.
In meiner Levelshifterschaltung wurden vier Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von je 2kV und einer Kapazität von je 2m F in Serie geschaltet. Jeder Kondensator wurde außerdem mit einem 1MW /1W Widerstand überbrückt, um zu gewährleisten, daß alle Kondensatoren gleichmäßig geladen werden und, nachdem der Tesla-Generator ausgeschaltet wurde, wieder entladen werden, um Unfälle zu vermeiden. Für den Gleichrichter wurden vier Dioden mit einer Belastbarkeit von je 100mA und 100kV parallelgeschaltet.
Da MOTs im Gegensatz zu Neontransformatoren oder Zündtransformatoren für Ölheizungen nicht kurzschlußfest sind, muß zur Strombegrenzung eine ohmsche und/oder induktive Last in Serie mit den Primärspulen der Transformatoren geschaltet werden. Meine Wahl fiel auf einen ausrangierten 2kW-Heizlüfter. Dieser mußte für den Einsatz als Strombegrenzer etwas modifiziert werden: Der Temperaturregler wurde durch einen Schalter überbrückt, um den Tesla-Generator auch bei Temperaturen betreiben zu können, die über dem Regelbereich des Temperaturreglers liegen. Außerdem wurde am Lüftermotor ein separater Netzanschluß angebracht, da er wegen der relativ geringen Spannung am Heizlüfter die Wärme, die durch das Heizelement erzeugt wird, nicht abführen konnte, und eine im Heizlüfter integrierte Temperatursicherung den Stromkreis unterbrach.
Da sich die Transformatoren nach längerem Betrieb nur mäßig erwärmten, lag die Leistung vermutlich im vorgeschriebenem Bereich.
Diese Art der Strombegrenzung lieferte nur sehr unbefriedigende Ergebnisse, deswegen wurde der Heizlüfter später durch einen dritten Mikrowellentransformator ersetzt, dessen Sekundärwicklung kurzgeschlossen wurde. Die Primärwicklung liegt in Reihe mit den Primärwicklungen der beiden anderen Mikrowellentransformatoren. Auf diese Weise werden die Trafos induktiv strombegrenzt, was sich in einer wesentlich höheren Ausgangsspannung äußert. Die Erwärmung blieb gegenüber der ohmschen Strombegrenzung unverändert.
In Reihe mit den beiden Hochspannungsausgängen wurde je eine Drossel geschaltet, um aus dem Resonanzkreis stammende Hochfrequenzschwingungen vom Levelshifterkondensator und aus dem Netz fernzuhalten. Diese Drosseln wurden hergestellt, indem eine dicke Kupferlitze um Zeilentrafo-Kerne gewickelt wurde. Induktivität: ca. 3,2mH. Außerdem wurde eine Sicherheitsfunkenstrecke installiert, um Spannungsspitzen abzufangen.


Abb. 10: Fertig aufgebaute MOT-Hochspannungsversorgung
 

4.3. Der Kondensator

4.3.1. Der Salzwasserkondensator

Da die im Handel angebotenen Kondensatoren, die für den Einsatz in einem Tesla-Generator geeignet sind, meinen finanziellen Rahmen sprengen würden, war der Eigenbau eines Primärkondensators unumgänglich.
Aus Kostengründen und wegen der einfachen Konstruktion habe ich mich zunächst für Salzwasserkondensatoren entschieden. Um die Salzwasserkondensatoren transportieren zu können, zog ich eine "geschlossene" Version vor: Die Funktion der Salzlösung im Bottich übernimmt hier Aluminiumfolie, die auf die Flasche geklebt wird. Zur Kontaktierung der Salzlösung in der Flasche dient eine Gewindestange, die durch zwei Muttern am Schraubverschluß (vorzugsweise Kunststoff, da es an Metallverschlüssen zu Koronaentladungen kommt) befestigt wird.
Diese Konstruktion ist wasserdicht und kann im Schadensfall leicht ausgetauscht werden. Die Kondensatoren können in Getränkekästen untergebracht werden, wobei ein Kasten (12 Flaschen) eine Kapazität von etwa 10nF aufweist.


Abb. 11: Aufbau eines geschlossenen Salzwasserkondensators
 
 


Abb.12: 10nF-Salzwasserkondensator

Dieses Design hatte jedoch zwei Nachteile: Erstens erwiesen sich die Flaschenwände als viel zu dick, was sich negativ auf die Kapazität auswirkt. Zweitens wurde die Aluminiumfolie mit UHU Alleskleber aufgeklebt, es wurde aber nicht darauf geachtet, daß das Lösungsmittel praktisch keine Möglichkeit zu entweichen besitzen, dadurch "blähten" sich einige Flaschenkondensatoren auf, ein Kondensator fing schließlich sogar Feuer!
Deshalb wurde ein neuer Flaschentyp (Marke Gut & Billig/1l-Flasche) verwendet und die Aluminiumfolie mit Sprühkleber aufgeklebt. Dadurch konnte schon mit 6 Flaschen eine Kapazität von 8nF erreicht werden.
In dem hier beschriebenen Tesla-Generator kommt eine Kiste des alten und eine des neuen Designs zum Einsatz, wodurch eine Primärkreiskapazität von 18nF entsteht


Abb.13: 8nF-Salzwasserkondensator

 

4.3.2. Der Folienkondensator

Da diese Salzwasserkondensatoren sehr viel Platz benötigen und unter hohen Verlusten leiden, die durch dielektrische Erwärmung des Glases hervorgerufen werden, konstruierte ich schließlich einen Wickelkondensator mit Polyäthylen als Dielektrikum. Damit sich die Kondensatorplatten beim aufgerollten Kondensator nicht berühren, müssen zwei Dielektrika verwendet werden. Dadurch hat im aufgewickelten Kondensator jede Platte zwei benachbarte Platten, wodurch sich die wirksame Plattenfläche verdoppelt, die Kapazität kann also mit der Formel

berechnet werden. Polyäthylen ist als Abdeckplane mit den Abmessungen von 10m x 3m und einer Dicke von 0,2mm erhältlich. Um einen robusten Kondensator zu erhalten, der auch Materialfehler in der PE-Folie tolerieren kann, wurden pro Dielektrikum fünf Planen übereinandergelegt, so daß sich eine Foliendicke von 1mm und eine Spannungsfestigkeit von 50kV ergab. Für die Kondensatorplatten wurde Haushaltsaluminiumfolie verwendet. Die Aluminiumfolie hat eine Breite von 30cm, was als Plattenbreite beibehalten wurde. Das Dielektrikum wurde auf eine Breite von 36cm zugeschnitten, um auf jeder Seite 3cm Isolierung zu besitzen. Die Länge des Dielektrikums mußte nun so gewählt werden, daß die 10m lange Kunststoffplane ohne viel Materialverlust in gleich große Stücke aufgeteilt werden konnte, und der gewickelte Kondensator in ein Polypropylen-Abflußrohr mit einem Innendurchmesser von 10,5cm, das als Gehäuse dienen sollte, paßte. Eine Dreiteilung der Folie ergibt eine Länge von 3,3m (um eventuellen Materialtoleranzen zu begegnen, wurde auf die restlichen 30cm verzichtet), die Foliendicke ist 2mm (für zwei Dielektrika), und das Kunststoffrohr, das als Kern zum Aufrollen des Kondensators verwendet werden sollte, besitzt einen Durchmesser von 2cm. Unter Vernachlässigung der geringen Dicke der Aluminiumfolie ergibt sich eine Fläche von

und somit ein Durchmesser von

Der Spielraum von 1cm wird benötigt, da der Kondensator nicht völlig straff gewickelt werden kann. Bei der Konstruktion des Kondensators wurden fünf Polyäthylenfolien mit den Abmessungen 3,3m mal 36cm übereinandergelegt, darauf wurde eine Aluminiumfolie mit den Abmessungen von 3m mal 30 cm so auf die Folie gelegt, daß an beiden Rändern, und an dem Ende, an dem mit dem Wickeln begonnen wird, 3cm Abstand vom Folienrand besteht. Somit ergibt sich am anderen Ende ein Abstand von ca. 27cm vom Folienrand, der aber benötigt wird, da sich beim Aufrollen Aluminium- und Polyäthylenfolien wegen des steigenden "Wickelradius" untereinander verschieben. Dann wurde am vorderen Ende ein Kabel in die Aluminiumfolie eingerollt, das den Anschluß bildet. Darüber wurde wieder eine Schicht Polyäthylenfolien und eine Alufolie gelegt, mit denen analog verfahren wurde. Als Wickelkern wurde ein 36cm langes PVC-Rohr mit einem Durchmesser von 2cm verwendet. Während des Aufrollens des Kondensators mußte darauf geachtet werden, daß sich die Aluminiumfolien nicht seitlich verschieben, da sich sonst der beidseitige Schutzrand von 3cm verkleinert hätte, was schlimmstenfalls zum Überschlag zwischen den Platten geführt hätte, der Kondensator wäre somit unbrauchbar geworden. Unter der Annahme, daß der Wickelkondensator genau in das 10,5cm-Rohr paßt, ergibt sich unter Abzug der Fläche des 2cm-Wickelkernes eine Kondensatorfläche von

Da die im Kondensator befindliche Luft durch Öl ausgetauscht wird, das die gleiche Dielektrizitätszahl wie Polyäthylen besitzt, kann das Öl als eine Verdickung des Dielektrikums angesehen werden. Werden die beiden Dielektrika als eine Folie von 6,6m Länge angesehen, ergibt sich für das Dielektrikum eine Dicke von

Somit läßt sich unter Vernachlässigung der Dicke der Aluminiumfolie eine zu erwartende Kapazität von

berechnen. Da der Kondensator zum Schutz vor Koronaentladung, die ihn binnen kurzer Zeit zerstören würden, in Öl gelagert werden muß, fiel meine Wahl für das Gehäuse des Kondensators auf ein Polypropylen-Abflußrohr. Da diese Abflußrohre nur mit einer einseitigen Steckmuffe ausgestattet sind, wird noch eine Überschiebemuffe benötigt, um beide Enden mit einem Deckel abzuschließen. Der Nachteil von Polypropylen ist, daß es nur mit extrem teueren Klebstoffen, die nur schwer erhältlich sind, verklebt, bzw. mit einem Heißluftgebläse verschweißt werden kann, jedoch haben meine Versuche gezeigt, daß die in den Rohren integrierten Gummidichtungen die Rohre sehr gut abschließen, und das Kondensatorgehäuse, nachdem es mit Öl gefüllt wurde, durch den Luftdruck zusammengehalten wird.

Ein Deckel wurde mit zwei 4cm langen M6-Gewindestangen versehen, die als Anschlüsse dienen, und einem Schlauch, durch den der Kondensator später evakuiert und mit Öl gefüllt wurde. Der Schlauch wurde an beiden Seiten des Deckels mit Heißkleber fixiert, wodurch eine Gewisse Festigkeit der Klebestelle erreicht wurde. Das 10,5cm dicke PP-Rohr wurde nun auf eine Länge von 40cm zurechtgeschnitten, und der erstaunlich gut in das Rohr passende Kondensator wurde in das untere Ende mit den Anschlußdrähten nach oben in das Rohr gesteckt. Das untere Ende wurde nun mit einem normalen Deckel verschlossen. Über das obere Ende wurde die Überschiebemuffe geschoben, und die Anschlußdrähte wurden an die Gewindestangen, die in dem Deckel befestigt sind, angeschlossen. Danach wurde der Deckel in die Überschiebemuffe geschoben und an dem Schlauch ein Ventil befestigt. Um sämtliche Luft, die sich in dem Wickelkondensator befindet, mit Öl auszutauschen, mußte der Kondensator erst evakuiert und dann mit Öl gefüllt werden. Als Vakuumpumpe wurde ein alter Kühlschrankkompressor benutzt, der ein Vakuum von etwa 80mbar erzeugt, was für diese Zwecke ausreicht. Nach dem Evakuieren wurde an dem Ventil, das sich am Kondensator befindet, ein Schlauch befestigt, mit dem Öl in den Kondensator gesaugt werden konnte. Als Öl wurde handelsübliches Motoröl verwendet. Der Kondensator sollte aufrecht gelagert werden, damit sich Luft, die sich noch im Kondensator befindet, oben ansammelt, wo sie keinen Schaden anrichten kann. 


 

Abb.14: Explosionszeichnung des Folienkondensators

Dieses Kondensatordesign war jedoch der Belastung, denen es in Verbindung mit einer rotierenden Funkenstrecke ausgesetzt ist, nicht gewachsen, so mußte ich wieder zum Einsatz von Salzwasserkondensatoren zurückkehren.

 
Abb.15: Geöffneter Folienkondensator   Abb.16: Entrollter Folienkondensator

Spätere Versuche zeigten, daß es bei Verwendung einer rotierenden Funkenstrecke an den Rändern der Aluminiumfolie zu starken Koronaentladungen kam (wohlgemerkt unter Öl!), die durch starke Wärmeentwicklung die Polyäthylenfolie zerstörten. Wie ich in einer Mailinglist erfuhr (leider zu spät), muß der Kondensator bei der hohen Unterbrecherrate meiner Funkenstrecke für ein 20-faches (!) der Transformatorspannung ausgelegt sein. Deutlich wird die extreme Belastung der Kondensatoren durch die Beobachtung, daß die Ölschicht, die in den Salzwasserkondensatoren Koronaentladungen unterdrücken sollen, im Betrieb regelrecht aufgeschäumt wird. Durch die hohe Feldstärke an den oberen Rändern der Aluminiumfolie, in Verbindung mit der hohen Unterbrecherfrequenz werden also die chemischen Bindungen des Öls aufgespalten, und es bilden sich Gase (was sich auch geruchlich bemerkbar macht).
 
Abb.17: Blasenbildung im Öl des Salzwasserkondensators

4.4. Die Primärspule

Die Primärspule wurde als Spiralspule ausgeführt. Leider mußte ich schon bei früheren Konstruktionen feststellen, daß die mit Hilfe einer für flache Spulen ausgelegten Formel berechnete Induktivität nicht annähernd mit der tatsächlichen Induktivität übereinstimmt. So wird bei einer Primärkapazität von 18nF und einer Resonanzfrequenz der Tesla-Spule von 310kHz (siehe Kapitel 4.7.) eine Induktivität von

benötigt.

Die Primärspule wurde großzügig mit acht Windungen konstruiert, um auch mit kleineren Kondensatoren, bzw. größeren Tesla-Spulen experimentieren zu können. Der Resonanzzustand wird bei Anzapfung von 5,5 Windungen erreicht. Die Spule besitzt einen Innendurchmesser Di von 12,5cm, und einen Windungsabstand von 1,5cm. Die Breite der Spule d beträgt bei der 5,5. Windung 7,5cm. Nach der Formel für Spiralspulen [[VII] Kapitel 3.5.2.C.] ergäbe sich eine Induktivität in nH von

Messungen ergaben jedoch tatsächlich die geforderte Induktivität von 15m H. Über dem äußeren Rand der Spule wurde noch ein geerdeter Drahtring, eine sog. Strikerail, angebracht, der Überschläge von der Tesla-Spule zur Primärspule, die den Kondensator und die Transformatoren zerstören könnten, abfängt. Zur Befestigung der Tesla-Spule wurde in der Primärspule der Teil einer Steckmuffe für Abflußrohre geklebt.


Abb.18: Primärspule

 

4.5. Die Funkenstrecke

4.5.1. Statische Funkenstrecke

Bei den ersten Experimenten mit dem Tesla-Generator verfügten die Mikrowellentransformatoren noch nicht über eine Levelshifterschaltung, deshalb konnte wegen der geringen Spannung nur eine einfache Funkenstrecke benutzt werden, die aus zwei parallelen Blechen bestand. Die mit dieser Funkenstrecke erzielten Ergebnisse waren jedoch wenig befriedigend, so konnten nur Überschläge zu einer geerdeten Elektrode von maximal 10cm Länge erzielt werden. Um das Quenchingverhalten zu verbessern, war der Einsatz einer rotierenden Funkenstrecke unumgänglich.
 

4.5.2. Rotierende Funkenstrecke (RSG 1)

Das größte Problem bei dem Design der rotierenden Funkenstrecke bestand in der geringen Ausgangsspannung der MOTs (4kV), deshalb durften rotierende und statische Elektroden nur einen minimalen Abstand besitzen, und keinesfalls zu Vibrationen neigen, da es sonst unweigerlich zu einer Kollision zwischen den Elektroden gekommen wäre. Aus diesem Grund scheiterte auch der Bau einer rotierenden Funkenstrecke wie sie in Kapitel 3.4. beschrieben ist, denn eine minimale Unwucht der Isolatorscheibe, die kaum zu vermeiden ist, führt zu Schwingungen, der Abstand zwischen rotierenden und statischen Elektroden mußte deshalb so groß gewählt werden, daß die Funkenstrecke nicht mehr zünden konnte. Die erste funktionsfähige rotierende Funkenstrecke bestand aus einem Sägeblatt, das auf einem Lüftungsmotor, der aus einem Kfz-Wärmetauscher stammte, befestigt war. Zwei feststehende Elektroden wurden nun in je 0,5mm Abstand von den Sägezähnen installiert, so daß die Zähne bei Rotation den Kontakt schlossen. Die für die Achse vorgesehene Bohrung am Sägeblatt hatte dabei einen Durchmesser von 2cm, so daß es auf der Motorachse die einen Durchmesser von 0,8cm besitzt, mittels zwei Pertinaxscheiben isoliert befestigt werden konnte. Mit diesem Design konnten schon Entladungen gegen Erde von ca. 20cm Länge erzeugt werden, durch den Einsatz eines Levelshifter wuchsen diese auf 35cm Länge an.
 

4.5.3. RQ-Gap

Der rotierenden Funkenstrecke folgten nun Versuche mit einer statischen Funkenstrecke. Dies hatte mehrere Gründe:

Ein sehr effektives Design einer Serienfunkenstrecke wurde von Richard Quick erdacht, der eine Bauanleitung dieses RQ-Gaps im Internet veröffentlicht hat.
Der Aufbau ist trotz des guten Wirkungsgrades bestechend einfach: An der Innenseite eines Abflußrohres werden mehrere Kupferrohre mit einem geringen Abstand parallel zueinander angebracht. Die Befestigung erfolgt dabei mit je zwei Schrauben, die durch Bohrungen in Kupfer- und Abflußrohr geführt werden. Die Kupferrohre bieten dabei eine große Masse und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch der Funke schnell gelöscht werden kann. Um das Quenchingverhalten weiter zu verbessern, wird an einem Ende des Abflußrohres ein Ventilator, oder sogar ein Staubsaugergebläse angebracht, das den Funken "ausbläst". Der Luftstrom sorgt nebenbei für eine Kühlung der Kupferrohre, die schon nach kurzer Betriebszeit sehr heiß werden. Die Zündspannung der Funkenstrecke kann komfortabel über das Anzapfen verschiedener Rohre verändert werden.

Abb.19: Aufbau eines RQ-Gaps

In meinem RQ-Gap kamen sechs Kupferrohre mit einem Durchmesser von 22mm zum Einsatz, der Rohrabstand beträgt 0,6mm. Die besten Ergebnisse wurden durch Anzapfen des fünften Rohres erzielt. Die mit dem RQ-Gap in Verbindung mit dem PE-Kondensator erzielten Ergebnisse übertrafen zwar die Streamerlängen, die mit der rotierenden Funkenstrecke in Verbindung mit den Salzwasserkondensatoren erreicht wurden, außerdem konnte der Tesla-Generator kompakter aufgebaut werden, jedoch konnten die Streamer nicht mit den spektakulären Entladungen konkurrieren, die mit der rotierenden Funkenstrecke in Verbindung mit dem PE-Kondensator erzielt wurden.
 

4.5.4. Rotierende Funkenstrecke (Flexigap)

Der Drang nach längeren Streamern führte zu Überlegungen zum Bau einer neuen rotierenden Funkenstrecke, bei der nun die Elektroden auf einer Isolatorscheibe befestigt werden sollten. An den Antrieb wurden dabei zwei Bedingungen gestellt:

Diese Anforderungen werden sehr gut von Einhandwinkelschleifern erfüllt: Sie besitzen im Allgemeinen eine Leerlaufdrehzahl von 11000Upm und am Spanndorn kann die Scheibe mit den rotierenden Elektroden genau im rechten Winkel zur Achse befestigt werden. Der Einsatz eines Winkelschleifers verlieh dieser Funkenstrecke den Namen Flexigap2. Die Drehzahl des Winkelschleifers und somit die Unterbrecherfrequenz wird mit einer selbstgebauten Phasenanschnittsteuerung geregelt. Die Schaltung der Phasenanschnittsteuerung ist ein Standarddesign und soll hier nicht näher diskutiert werden.
Die rotierende Scheibe muß sowohl steif sein, damit sie bei hohen Drehzahlen nicht zu Schwingen beginnt, als auch eine hohe Festigkeit besitzen, damit es bei einer eventuellen Kollision zwischen statischen und rotierenden Elektroden nicht zu einer "Explosion" kommt. Pertinax hat sich für diese Anforderungen als sehr geeignet erwiesen.
In meiner Funkenstrecke kam eine Scheibe mit 18cm Durchmesser und einer Dicke von 5mm zum Einsatz, auf der, im Abstand von 1cm vom äußeren Rand 12 Elektroden befestigt wurden. Diese bestehen aus M6-Gewindestangen, die mit jeweils zwei Muttern fixiert sind.
Als statische Elektroden dienen zwei 1mm-Kupferbleche, da Kupferelektroden – aus bisher noch ungeklärten Gründen – weniger verschleißen als Stahlelektroden. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Kupferbleche im Falle eines "Gaus", also einer Kollision zwischen rotierenden und statischen Elektroden so verbiegen würden, daß kein weiterer Schaden entstehen kann.
Da die Funkenstrecke etwa bei halber Drehzahl in Resonanz gerät, was zum flattern der rotierende Scheibe führt (bei dieser Drehzahl kam es immer wieder zum Kontakt zwischen rotierenden und statischen Elektroden, jedoch ohne Folgen), wurde die Funkenstrecke mit einem Gewicht (Ziegel aus einer Speicherheizung) beschwert, wodurch die Schwingungen weitgehendst unterdrückt werden.
Die mit dieser Funkenstrecke erzielten Ergebnisse sind äußerst zufriedenstellend, so ermöglicht diese Streamerlängen von bis zu 60cm und Entladungen gegen Erde von bis zu 80cm Länge. Die Optimale Unterbrecherfrequenz beträgt 1,2kHz.

 
Abb.20: Flexigap                                                                                                               Abb.21: Nahaufnahme der Elektroden


Abb.22: Der Flexigap in Betrieb; deutlich zu erkennen ein Stroboskopeffekt
 

4.6. Die Toruselektrode

4.6.1. Styroporkern-Torus

Als Torus-Form wurde ein Ring aus Styropor verwendet. Dieser Ring besteht aus zwei Ringhälften, sog. "Biedermeier", die in Bastelläden erhältlich sind. Die Hälften wurden mit Epoxidharz zusammengeklebt, da andere Klebstoffe Styropor angreifen. Für die leitende Oberfläche wurde Haushaltsaluminiumfolie in einen 30m langen und 4cm breiten Streifen geschnitten. Dieser Streifen wurde nun axial um den Toruskörper gewickelt, so daß sich die einzelnen Windungen um ca. 1,5cm überlappen. Dadurch wird verhindert, daß die Windungen voneinander Isoliert sind, und eine Induktivität bilden. Der Rand des überlappenden Bereiches wird von unten mit Klebstoff bestrichen, so daß eine glatte Fläche ohne scharfe Kanten entsteht.


Abb.23: Styroporkern-Torus

In die Innenseite des Torus wurde eine Polystyrolscheibe geklebt, in deren Mitte sich ein ca. 4cm langes PVC-Rohr befindet, mit dem der Torus auf der Tesla-Spule angebracht werden kann. Die elektrische Verbindung zwischen Sekundärspule und Torus wird mit einem Kupferblech hergestellt, das an das Ende der Drahtwindungen gelötet wurde, und mit Klebeband am Torus fixiert wird. Für die Kapazität eines Torus sind nun zwei Faktoren ausschlaggebend: Der Außendurchmesser (Do) und der Durchmesser des Toruskörpers (Dc). Dabei ist Do=30cm und Dc=7cm. Die Formel wurde aus [[XII] Toroid Capacitance] entnommen und auf die Einheit cm angepaßt.

Die Kapazität in pF beträgt

 

4.6.2. Aluflex-Torus

Um einen größeren Krümmungsradius des Torus zu erhalten, was zu längeren Koronaentladungen führt, wurde später ein biegsamer metallischer Abluftschlauch (Aluflex) mit einem Durchmesser von 10,5cm, wie er in Baumärkten erhältlich ist, zu einen Torus gebogen, und dessen Enden mit einem Aluminiumbeschichteten Klebeband leitend verbunden. Damit konnten geringfügig längere Streamer erzielt werden, jedoch weist der "Aluflex-Torus" eine höhere mechanische Festigkeit auf als der "Styroporkern-Torus". Diese Toruskonstruktion besitzt einen Durchmesser von 35cm und eine Kapazität von 15,3 pF.


Abb.24: Aluflex-Torus
 

4.7. Die Tesla-Spule

Das geplante Design der Tesla-Spule sah 1000 Windungen Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 0,315 mm auf ein Polypropylen-Abflußrohr mit 7,5 cm Durchmesser gewickelt vor. Da die Tesla-Spule den Ausgangspunkt für die Dimensionierung von Primärkondensator und –spule bildet, wurde vor ihrem Bau die Resonanzfrequenz berechnet, um eine grobe Vorstellung über die Dimensionierung der anderen Bauelemente zu bekommen. Die Induktivität wurde mit der Formel für langgestreckte Spulen

berechnet (die Forderung "langgestreckt" ist in diesem Fall sehr gut erfüllt). Bei einem Rohrdurchmesser von 7,5cm beträgt der Spulenradius, unter Vernachlässigung der Drahtdicke, 3,75cm, die Länge der Spule beträgt 1000*0,315mm, also 31,5cm. Die Induktivität ist dann

Die Kapazität der Spule wurde mit der Medhurst-Formel [[XII] Medhurst] berechnet. Die für die Einheit Zoll ausgelegte Formel wurde auf cm adaptiert. Die Kapazität in pF beträgt

Nach dem Thompson-Formel ergibt sich dann eine Resonanzfrequenz von

Unter Berücksichtigung der Kapazität des Aluflex-Torus ergibt sich eine Resonanzfrequenz von

In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Windungen eine Länge von 36,5cm bedecken. Damit ergibt sich eine theoretische Resonanzfrequenz von 275kHz.
Die Windungen wurden 8cm vom unteren Ende und 2cm vom oberen Ende des PP-Rohres aufgebracht, um die Tesla-Spule befestigen zu können. Die Tesla-Spule wurde anschließend noch mit einer Schicht Polyesterharz überzogen, außerdem wurde auf das obere Ende eine Polystyrolscheibe geklebt, auf der sich mittig eine PVC-Steckmuffe befindet, um die Toruselektrode befestigen zu können.

 
Abb.25: Versuchsaufbau zur ermittlung der Resonanzfrequenz der Tesla-Spule             Abb.26: Nahaufnahme des Oszilloskops

Die tatsächliche Resonanzfrequenz der Tesla-Spule wurde nach ihrer
Fertigstellung experimentell bestimmt. Dazu wurde mit unteren Ende der Tesla-Spule ein Oszillator mit einer Schwingungsamplitude von 10V und einer Frequenz von ca. 7kHz (f<fres) verbunden. Die Signalflanken des Rechtecksignals erregten dabei in der Tesla-Spule gedämpfte Schwingungen. Diese wurden mit einem Draht, der als Antenne diente, aufgefangen und mit einem Oszilloskop betrachtet. Der Draht durfte dabei keinen elektrischen Kontakt zur Tesla-Spule besitzen, um nicht durch die Eingangskapazität des Oszilloskops deren Resonanzfrequenz zu verändern.
Die gemessene Resonanzfrequenz betrug 570kHz. Mit angeschlossenem Aluflex-Torus ergab sich eine Frequenz von 310kHz. Dieser Wert stimmt mit einer Abweichung von nur ca. 13% sehr gut mit dem berechneten Wert überein.


Abb.27: In der Primärspule stehende Sekundärspule

 

4.8. Die Erdung

Zur Erdung des Tesla-Generators wurde ein 2m langes Wasserrohr in ca. 3m Entfernung zum Haus im Boden versenkt. Dazu wurde am oberen Ende des Rohres ein Gartenschlauch befestigt, dadurch konnte dieses mit geringem Aufwand im Sandboden versenkt werden. Das untere Ende des Rohres befindet sich unter dem Grundwasserspiegel, was eine niederohmige Erdverbindung gewährleistet. Der Tesla-Generator wird mittels eins Kupferkabels mit einem Durchmesser von 6mm über eine Klemme an das Erdungsrohr angeschlossen. Als Verbindungskabel dient eine 16mm2-Antennenleitung.


Abb.28: Das Erdungsrohr mit angeklemmtem Erdungskabel

 

4.9. Übersicht über die einzelnen Konfigurationen des Tesla-Generators

Mein Tesla-Generator wurde nach dem "Trial and Error" - Verfahren stufenweise zu einer höheren Ausgangsspannung optimiert, dabei waren z.B. mehrere Typen von Funkenstrecken und Kondensatoren im Einsatz. Die verschiedenen Konfigurationen des Tesla-Generators sollen im Folgenden zeitlich aufgelistet werden:

Streamerlänge: bis zu 60cm. Entladungen gegen Erde: bis zu 80cm. Diese Konfiguration wird im Folgenden als K2 bezeichnet.


Abb.29: Komplettansicht des Tesla-Generators K2

Kurzzeitig wurde mit einer Hochspannungsversorgung gearbeitet, die aus mehreren Zeilentransformatoren aus Fernsehgeräten bestand, dieses Design entpuppte sich jedoch als wenig leistungsfähig, deshalb wird hier nicht näher darauf eingegangen.
 

5. Betrieb des Tesla-Generators

5.1. Abstimmung

Damit der Tesla-Generator die maximale Ausgangsspannung erzeugt, müssen Primärkreis und Sekundärkreis dieselbe Resonanzfrequenz besitzen. Da die Resonanzfrequenz der Sekundärspule kaum noch veränderbar ist, und der Primärkondensator ebenfalls einen festen Wert besitzt, muß zur Abstimmung des Tesla-Generators die Windungszahl der Primärspule verändert werden. Während die innerste Windung üblicherweise fest mit dem Primärkondensator verdrahtet ist, kann der zweite Anzapfpunkt über eine Krokodilklemme abgegriffen werden. Zur Überwachung der Ausgangsspannung wird auf die Toruselektrode eine Nadelelektrode gelegt, dann wird der Anzapfpunkt solange variiert, bis die Streamer an der Nadelelektrode ihre maximale Länge erreichen (während die Position der Krokodilklemme verändert wird, muß der Hochspannungstransformator natürlich ausgeschaltet sein!).
 

5.2. Experimente mit den hochfrequenten Entladungen

Mit einem Tesla-Generator lassen sich viele lehrreiche und faszinierende Versuche mit hochfrequenter Hochspannung durchführen. In diesem Kapitel sollen einige dieser Versuche beschrieben werden. Einige dieser Versuche wurden mit einer leistungsschwächeren Version des Tesla-Generators (K1) durchgeführt, da es sonst zur Zerstörung der Versuchsobjekte gekommen wäre.
 

5.2.1. Streamer


Abb.30: Streamer; die Hintergrundfarbe kommt durch eine rote Glühbirne zustande (K2)

Die sowohl ästhetischsten als auch imposantesten Effekte, die mit einem Tesla-Generator erzeugt werden können, sind Streamer. Diese in Kapitel 2.2.2. näher erläuterten Koronaentladungen sind wohl der Grund für die Faszination "Eingeweihter" an Tesla-Generatoren.


Abb.31: Hier dient der Styroporkern-Torus als Entladungs Elektrode (K2)
 

5.2.2. Entladungen gegen Erde

Erstaunlicherweise sind Entladungen gegen geerdete Elektroden nur ca. 20-50% länger als Streamer, jedoch wesentlich lichtstärker.


Abb.32: Entladung gegen Erde (K2)
 

5.2.3. Durchdringung von Isolatoren

Die Hochfrequenzströme ermöglichen auch die Durchdringung von Isolatoren, es entsteht gewissermaßen ein Kondensator, bei dem der Isolator das Dielektrikum, und das sich an beide Seiten des Isolators anschmiegende Plasma die Platten bildet.


Abb. 33: Durchdringung einer Glasplatte durch den Hochfrequenzstrom - die Glasplatte erwärmt sich bei diesem Versuch merklich (K1)

Überschläge auf isoliert im Raum stehende, elektrisch leitende Gegenstände (Þ Kapazitäten) offenbaren ein sehr ästhetisches Aussehen, da das Plasma ähnlich einem Lichtbogen nach oben steigt. Weil der Entladungskanal während der Impulspausen soweit abkühlt, daß kein Licht mehr emittiert wird, durch seine hohe Temperatur aber emporsteigt, und bei der nächsten Kondensatorentladung wieder zum Leuchten angeregt wird, entsteht auf Fotografien der sog. Banjo-Effekt.


Abb.34: "Banjoentladung" auf eine ungeerdete Toruselektrode (K1)


Abb. 35: "Banjoentladung" auf eine wassergefüllte Kuststofflasche (K1)
 

5.2.4. Anregung von Gasentladungslampen

Tesla-Generatoren eigenen sich mit ihrer Hochfrequenten Ausgangsspannung auch besonders gut, um Gasentladungslampen zum Leuten zu bringen, sogar Glühbirnen lassen sich als Gasentladungslampen "Mißbrauchen"


Abb.36: Eine auf dem Entladungsterminal plazierte Neonröhre ergibt einen Interessanten Beleuchtungseffekt (K1)

 

 
Abb.37: Eine Glühbirne wird zu interessanten Leuchterscheinungen angeregt  (K1)        Abb.38: Eine mit Luft gefüllte und auf 60mBar evakuierte Glasflasche (K1)
 

5.2.5. Berührung des Hochspannungsterminals

Erstaunlicherweise ist die Ausgangsspannung des Tesla-Generators relativ ungefährlich. Da Nerven und Muskeln auf Frequenzen ab ca. 20kHz nicht mehr reagieren können, bewirkt die Berührung eines laufenden Tesla-Generators weder Schmerzen noch Muskelkontraktionen.
Bei Berührung eines Tesla-Generators muß allerdings ein metallischer Gegenstand in der Hand gehalten werden, da es bei direkter Berührung des Plasmas mit der Haut zu schwer heilenden, tiefen Verbrennungen kommt, außerdem mußten schon einige Tesla-Generator-Experimentatoren die Erfahrung machen, daß eine direkte Entladung zur Haut sehr wohl schmerzhaft ist. Über die Gründe dieses Phänomens wird noch gerätselt. Dieser "Stunt" birgt aber auch noch andere Gefahren:

[VIII]
 

5.3. Gefahren des Tesla-Generators

5.3.1. Elektrische Gefahren

Während der Ausgangsstrom eines Tesla-Generators, wie bereits erwähnt, relativ harmlos ist, besitzen schon die Hochspannungsversorgungen kleiner Tesla-Generatoren tödliches Potential. Daher dürfen Modifikationen am Tesla-Generator keinesfalls durchgeführt werden, wenn sich dieser im Betrieb befindet.

5.3.2. Ozon und Stickoxide

Bei allen elektrischen Entladungen in Luft entstehen Ozon und Stickoxide. Wegen der kurzen Betriebsdauer entstehen dadurch im allgemeinen keine gesundheitlichen Gefahren, jedoch klagen manche Experimentatoren über Kopfschmerzen die durch das Reizgas Ozon verursacht werden.

5.3.3. Lärm

Schon die Entladungen kleiner Tesla-Generatoren können sehr lautstark sein, um keine bleibenden Gehörschäden zu riskieren, muß ein Gehörschutz getragen werden.

5.3.4 Funkstörung

Da Tesla-Generatoren den prinzipiellen Aufbau früherer Knallfunkensender besitzen, rufen sie Funkstörung hervor. Da sie allerdings nicht über eine Antenne verfügen, bleiben diese Störungen im Normalfall gering.

5.3.5. UV-Strahlung

Die Entladungen in der Funkenstrecke produzieren ähnlich wie Lichtbogenschweißgeräte intensive UV-Strahlung, sie darf daher nicht mit dem bloßen Auge beobachtet werden.

5.3.6. Röntgenstrahlung

Wie Versuche ergaben, produzieren Tesla-Generatoren keine Röntgenstrahlen in meßbaren Dosen. Werden jedoch evakuierte Gefäße in die Nähe der Tesla-Spule gebracht, kann es sehr wohl zur Emission von Röntgenstrahlung kommen.
[Sinngemäß nach [XIII]]

6. Anwendungen von Tesla-Generatoren

"Warum baut jemand etwas, das nur große Blitze macht? Das ist eine schwierige Frage. Frag‘ einen Golfer, warum er Golf spielt. Ich baue sie, weil es mir gefällt, die benötigten Geräte zu konstruieren, und mit Hochspannung zu experimentieren." [Zitat [IX]/Übersetzung aus dem Englischen]
In der Tat ist der Bau eines Tesla-Generators eine interessante Herausforderung, und wird mit einem imposanten Blitzgewitter belohnt. Nebenbei stellen diese interessante und lehrreiche Versuchsobjekte dar, an denen physikalische Prinzipien wie Resonanz, dielektrische Durchdringung, Koronaentladung, elektromagnetische Felder, usw. verdeutlicht werden können. Ein weiteres Einsatzgebiet von Tesla-Generatoren ist die Erzeugung von Special Effects für Film und Fernsehen, da Blitze mit Computern nicht realistisch simuliert werden können. Tesla-Generatoren fanden Einsatz in Filmen wie "Terminator I", "The Entity" oder "Freitag der Dreizehnte VI". In Serien wie "Hulk" oder "Kampfstern Galactika" und Musikvideos wie "Too Hot!" von Coolio. Auch in Theme-Parks wie dem Disney-World wurden Tesla-Generatoren installiert.
 

7. Ausblick

Obwohl seit der Erfindung des Tesla-Generators neue Werkstoffe entwickelt wurden, hat sich an seinem Grundprinzip nichts verändert. Zwar wurden schon mehrere Elektronenröhren- und MOSFET-betriebene Tesla-Generatoren gebaut, jedoch arbeiten diese im Gegensatz zu "normalen" Tesla-Generatoren nicht im Impulsbetrieb, sondern erzeugen ein Hochfrequenzsignal mit konstanter Amplitude, und können deshalb bei gleicher Eingangsleistung nie mit den Entladungen des Originaldesigns konkurrieren. Obwohl die meisten Menschen mit dem Begriff "Tesla-Generator" nicht besonders viel anfangen können, ist der Bau dieser Apparaturen ein sich verbreitenden Hobby, so hat sich im Internet eine regelrechte Subkultur gebildet.
[VIII]

8. Anhang

8.1. Fachwörterverzeichnis

Da sich die Tesla-Szene hauptsächlich auf den englischsprachigen Raum beschränkt, ist ein Tesla-spezifisches Arsenal von Abkürzungen und Fachausdrücken entstanden, die sich teilweise nur schwer ins Deutsche übersetzen lassen. Deshalb wird hier ein Überblick über die in meiner Facharbeit benutzen Ausdrücke gegeben.
MOT : Microwave Oven Transformer Hochspannungstransformator aus Mikrowelle
Gap Funkenstrecke
RQ-Gap Serienfunkenstrecke aus mehreren parallelen Kupferrohren
Streamer Tesla-Generator-Spezifische Koronaentladung, ein "in der Luft hängender" Blitz
Quenching Die Eigenschaft einer Funkenstrecke, einen Funken wieder zum Verlöschen zu bringen
Strikerail Über der Primärspule angebrachter, geerdeter Drahtring, der Überschläge von der Sekundärspule auf die Primärspule verhindert
Levelshifter Eine Art Spannungsverdoppler, bestehend aus einem Kondensator und einer Diode
Stepped Leader Eine Art Koronaentladung "Vorblitz"
Mailinglist Internet-Diskussionsforum
8.2. Videofilm

Über den in dieser Facharbeit beschriebenen Tesla-Generator wurde ein Videofilm angefertigt:

8.3. Quellenanhang

8.3.1. Bibliographie

[I]: vol 6, no. 4, "Power and Resonance", the "Journal of the International Tesla Society"

[II]: The Software Toolworks Multimedia Encyclopedia 1992 Edition Version 1.5

[III]: Beaty, William J., Sparks and Lightning,

http://www.eskimo.com/~billb/tesla/spark.html

[IV]: Anderson, Kerry/Canadian Forest Service/Edmonton, Alberta, Frequently Asked Question (FAQ) about lightning, ftp://nofc.forestry.ca/pub/fire/docs/ltg.faq

[V]: Quick, Richard, Primary Coils, http://www.eskimo.com/~billb/tesla/primary.txt

[VI]: Quick, Richard, Toroids, http://www.eskimo.com/~billb/tesla/toroid2.txt

[VII]: Nührmann, Dieter, Das große Werkbuch Elektronik, CONRAD electronic Edition

[VIII]: Informationen, die in Newsgroups (Tesla-2 Mailing List" tesla-2@emachine.com, GermanTeslaList gtl@lists.uni-marburg.de, Tesla List tesla@pupman.com, USA-TESLA USA-TESLA@LIST.IEX.NET) gesammelt wurden, und teilweise in eigenen Experimenten bestätigt wurden

[IX]: Hammer, Mike, Frequently Asked Questions, 3.Then why build one?, http://www.misslink.net/mhammer/teslafaq.htm

[X]: Quick, Richard, Tesla Capacitors, ftp://nic.funet.fi/pub/sci/electrical/tesla/misc/caps1.txt.Z

[XI]: Small, Dave, THE GREATEST HACKER OF ALL TIME, Current Notes magazine

[XII]: Behrendt, Matt, Formula Page, http://members.aol.com/electronx/formulas.html

[XIII]: Atkinson, Chip, TESLA COILS SAFETY INFORMATION, http://bhs.broo.k12.wv.us/homepage/CHIP/safety.htm

 

8.3.2. Quellennachweis der Abbildungen

Abb. 1: ftp://nic.funet.fi/pub/sci/electrical/tesla/pictures/misc/tesla1.gif

Abb.22 : ftp://nic.funet.fi/pub/sci/electrical/tesla/misc/sparkgap.zip

Abb.4: http://www.seaox.com/graphics/light2.jpg
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Der Kommentar meines Physiklehrers zur Facharbeit