Einführung

Hochspannungsversuche üben immer eine große Faszination auf Schüler aus, aus Sicherheitsgründen sind diese aber normalerweise nicht als Schülerversuch möglich. Gesucht war also ein Versuchsaufbau der mit ungefährlichen Spannungen arbeitet und trotzdem eindrucksvolle Ergebnisse liefert. In Frage kommt dann nur eine hochfrequente Wechselspannung mit kleiner Leistung, also eine Teslaspule. Wechselspannungen mit hoher Frequenz sind bei kleinen Leistungen für den Menschen ungefährlich, da der Strom durch den Skin-Effekt nur an der Oberfläche eines leitfähigen Körpers fließt und damit nicht in den menschlichen Körper eindringt. Bei hohen Leistungen besteht allerdings die Gefahr von Verbrennungen auf der Haut.

Der klassische Versuchsaufbau von Nikola Tesla arbeitet mit einem Schwingkreis, der aus Spule und Kondensator besteht. Als "Schaltelement" zur Unterbrechung der Stromversorgung benutzte Tesla eine Funkenstrecke. Dies setzt eine hohe Gleich- oder niederfrequente Wechselspannung im Primärkreis voraus, damit scheidet dieser Aufbau aus.
Durch den rasanten Preisverfall von Hochleistungstransistoren (MOSFET) kann die Funkenstrecke heute durch eine Transistor-Brückenschaltung ersetzt werden. Um den Stromfluß in der Brücke und damit die Verluste möglichst klein zu halten verwenden die meisten SSTCs (Solid-State-Tesla-Coil) eine Versorgungsspannung von 200-500V und scheiden damit ebenfalls aus.
Inzwischen gibt es aber auch preiswerte MOSFETs, die bei Spannungen unterhalb von 50V Ströme bis zu 150A fast verlustlos schalten können. Damit lassen sich Teslaspulen mit für Schüler ungefährlichen Spannungen von unter 30V bauen. Bauanleitungen für sollche Teslaspulen sind im Internet in vielfältiger Weise dokumentiert zu finden.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Nachbausicherheit. Die Schaltung sollte unkritisch im Aufbau und ohne komplizierte Abstimmung sofort funktionieren, was gerade bei Schwingkreisen im HF-Bereich normalerweise nicht der Fall ist. Meine Wahl ist auf eine SSTC auf einer ungarischen Website (die kann ich zwar nicht lesen, aber der Schaltplan reicht ja) gefallen. Für den Einsatz in der Schule musste die Schaltung an einigen Punkten leicht verändert werden.

Das Projekt wurde erstmals im Jahr 2013 an unserer Schule durchgeführt. Von den 10 Schülern des Physik-LKs haben alle eine funktionsfähige Teslaspule hergestellt. Kleinere Lötfehler führten in keinem Fall zu einer Zerstörung von Bauteilen in der Testphase, was für die Nachbausicherheit spricht. Besondere Schutzmaßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen waren nicht notwendig.

Der Nachbau dauert ungefähr 4-6 Doppelstunden, wobei mindestens 2 bis 3 Doppelstunden auf das Wickeln der Sekundärspule und den mechanischen Aufbau entfallen. Das Spulenwickeln ist besonders effektive in Partnerarbeit möglich. Die Kosten für das gesamte Projekt liegen bei 30-40€ pro Schüler. Die meisten Bauteile sind bei REICHELT kostengünstig zu bestellen. Der verwendete Ringkerntrafo ist in einem eBay-Shop zu bekommen. DieAusgangsspannung ist ziemlich unkritisch und sollte bei 16-20V~ liegen. Die Leistung sollte mindetsens 100W betragen. Eine genaue Bauteileliste ist im Downloadbereich zu finden.