EinführungHochspannungsversuche
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.