BOBINA DI TESLA: STORIA, COME FUNZIONA, A COSA SERVE - FISICO - 2024

La bobina di Tesla è un avvolgimento che funziona come un generatore di alta tensione e alta frequenza. Fu inventato dal fisico Nikola Tesla (1856-1943), che lo brevettò nel 1891.

L'induzione magnetica ha fatto riflettere Tesla sulla possibilità di trasmettere energia elettrica senza l'intervento di conduttori. Pertanto, l'idea dello scienziato e inventore era quella di creare un dispositivo che servisse a trasferire l'elettricità senza utilizzare cavi. Tuttavia, l'uso di questa macchina è molto inefficiente, quindi è stata abbandonata a breve per questo scopo.

Figura 1. Dimostrazione con la bobina di Tesla. Fonte: Pixabay.

Anche così, le bobine di Tesla possono ancora essere trovate con alcune applicazioni specifiche, come nei piloni o negli esperimenti di fisica.

Storia

La bobina è stata creata da Tesla poco dopo che gli esperimenti di Hertz sono venuti alla luce. Lo stesso Tesla lo definì "apparato per la trasmissione di energia elettrica". Tesla voleva dimostrare che l'elettricità poteva essere trasmessa senza fili.

Nel suo laboratorio di Colorado Springs, Tesla aveva a sua disposizione un'enorme bobina di 16 metri collegata a un'antenna. Il dispositivo è stato utilizzato per condurre esperimenti di trasmissione di energia.

Sperimenta con le bobine di Tesla.

In un'occasione si è verificato un incidente causato da questa bobina in cui sono state bruciate dinamo di una centrale elettrica situata a 10 chilometri di distanza. Come risultato del guasto, sono stati prodotti archi elettrici attorno agli avvolgimenti delle dinamo.

Niente di tutto ciò ha scoraggiato Tesla, che ha continuato a sperimentare numerosi progetti di bobine, che ora sono conosciuti con il suo nome.

Come funziona?

La famosa bobina di Tesla è uno dei tanti progetti che Nikola Tesla ha realizzato per trasmettere elettricità senza fili. Le versioni originali erano di grandi dimensioni e utilizzavano sorgenti ad alta tensione e alta corrente.

Naturalmente oggi ci sono design molto più piccoli, compatti e fatti in casa che descriveremo e spiegheremo nella prossima sezione.

Figura 2. Schema della bobina di Tesla di base. Fonte: autocostruito.

Un design basato sulle versioni originali della bobina di Tesla è quello mostrato nella figura sopra. Lo schema elettrico della figura precedente può essere suddiviso in tre sezioni.

Fonte (F)

La sorgente è costituita da un generatore di corrente alternata e da un trasformatore ad alto guadagno. L'uscita della sorgente è tipicamente compresa tra 10.000 V e 30.000 V.

Primo circuito risonante LC 1

Consiste in un interruttore S noto come "Spark Gap" o "Explosor", che chiude il circuito quando una scintilla salta tra le sue estremità. Il circuito LC 1 ha anche un condensatore C1 e una bobina L1 collegati in serie.

Secondo circuito risonante LC 2

Il circuito LC 2 è costituito da una bobina L2 con un rapporto di spire di circa 100 a 1 rispetto alla bobina L1 e un condensatore C2. Il condensatore C2 si collega alla bobina L2 attraverso la massa.

La bobina L2 è solitamente un filo avvolto con uno smalto isolante su un tubo di materiale non conduttivo come ceramica, vetro o plastica. La bobina L1, sebbene non mostrata in questo modo nel diagramma, è avvolta sulla bobina L2.

Il condensatore C2, come tutti i condensatori, è costituito da due piastre metalliche. Nelle bobine di Tesla, una delle piastre C2 ha solitamente la forma di una cupola sferica o toroidale ed è collegata in serie con la bobina L2.

L'altra scheda di C2 è l'ambiente vicino, ad esempio un piedistallo metallico finito a sfera e collegato a massa per chiudere il circuito con l'altra estremità di L2, anch'essa collegata a massa.

Meccanismo di azione

Quando una bobina di Tesla è accesa, la sorgente di alta tensione carica il condensatore C1. Quando questa raggiunge una tensione sufficientemente alta, fa scattare una scintilla nell'interruttore S (spinterometro o esplosore), chiudendo il circuito risonante I.

Quindi il condensatore C1 si scarica attraverso la bobina L1 generando un campo magnetico variabile. Questo campo magnetico variabile passa anche attraverso la bobina L2 e induce una forza elettromotrice sulla bobina L2.

Poiché L2 è circa 100 giri più lungo di L1, la tensione elettrica su L2 è 100 volte maggiore di quella su L1. E poiché in L1 la tensione è dell'ordine di 10.000 volt, in L2 sarà 1 milione di volt.

L'energia magnetica accumulata in L2 viene trasferita come energia elettrica al condensatore C2, che quando raggiunge valori di tensione massimi dell'ordine del milione di volt ionizza l'aria, produce una scintilla e viene scaricata bruscamente attraverso il terreno. Le scariche avvengono tra 100 e 150 volte al secondo.

Il circuito LC1 è detto risonante perché l'energia accumulata nel condensatore C1 passa alla bobina L1 e viceversa; cioè, si verifica un'oscillazione.

Lo stesso accade nel circuito risonante LC2, in cui l'energia magnetica della bobina L2 viene trasferita come energia elettrica al condensatore C2 e viceversa. Vale a dire che nel circuito viene prodotta alternativamente una corrente di andata e ritorno.

La frequenza di oscillazione naturale in un circuito LC è

Risonanza e mutua induzione

Quando l'energia fornita ai circuiti LC si presenta alla stessa frequenza della frequenza naturale di oscillazione del circuito, allora il trasferimento di energia è ottimale, producendo una massima amplificazione nella corrente del circuito. Questo fenomeno comune a tutti i sistemi oscillanti è noto come risonanza.

I circuiti LC1 e LC2 sono accoppiati magneticamente, un altro fenomeno chiamato induzione reciproca.

Per un trasferimento ottimale di energia dal circuito LC1 a LC2 e viceversa, le frequenze di oscillazione naturali di entrambi i circuiti devono corrispondere e devono corrispondere anche alla frequenza della sorgente di alta tensione.

Ciò si ottiene regolando i valori di capacità e induttanza in entrambi i circuiti, in modo che le frequenze di oscillazione coincidano con la frequenza della sorgente:

Quando ciò si verifica, la potenza dalla sorgente viene trasferita in modo efficiente al circuito LC1 e da LC1 a LC2. In ogni ciclo di oscillazione, l'energia elettrica e magnetica accumulata in ogni circuito aumenta.

Quando la tensione elettrica su C2 è sufficientemente alta, l'energia viene rilasciata sotto forma di fulmine scaricando C2 a terra.

Usi della bobina di Tesla

L'idea originale di Tesla nei suoi esperimenti con queste bobine era sempre quella di trovare un modo per trasmettere energia elettrica su lunghe distanze senza cablaggio.

Tuttavia, la bassa efficienza di questo metodo a causa delle perdite di energia per dispersione nell'ambiente ha reso necessario cercare altri mezzi per trasmettere energia elettrica. Oggi il cablaggio è ancora utilizzato.

Lampada al plasma, che ha contribuito a sviluppare l'esperimento di Tesla.

Tuttavia, molte delle idee originali di Nikola Tesla sono ancora presenti negli odierni sistemi di trasmissione cablata. Ad esempio, i trasformatori step-up nelle sottostazioni elettriche per la trasmissione su cavi con minori perdite e i trasformatori step-down per la distribuzione nelle case sono stati ideati da Tesla.

Nonostante non abbiano un uso su larga scala, le bobine di Tesla continuano ad essere utili nell'industria elettrica ad alta tensione per testare sistemi isolanti, torri e altri dispositivi elettrici che devono funzionare in sicurezza. Sono anche usati in vari spettacoli per generare fulmini e scintille, così come in alcuni esperimenti di fisica.

È importante adottare misure di sicurezza negli esperimenti ad alta tensione con grandi bobine di Tesla. Un esempio è l'utilizzo delle gabbie di Faraday per la protezione degli osservatori e delle tute in rete metallica per i performer che partecipano a spettacoli con questi mulinelli.

Come realizzare una bobina di Tesla fatta in casa?

componenti

Nessuna sorgente CA ad alta tensione verrà utilizzata in questa versione in miniatura della bobina di Tesla. Al contrario, la fonte di alimentazione sarà una batteria da 9 V, come mostrato nello schema in figura 3.

Figura 3. Schema per costruire una mini bobina di Tesla. Fonte: autocostruito.

L'altra differenza rispetto alla versione originale di Tesla è l'uso di un transistor. Nel nostro caso sarà il 2222A, che è un transistor NPN a basso segnale ma con una risposta veloce o ad alta frequenza.

Il circuito ha anche un interruttore S, una bobina primaria a 3 giri L1 e una bobina secondaria L2 di 275 giri minimo, ma può anche essere compresa tra 300 e 400 giri.

La bobina primaria può essere costruita con un filo comune con isolamento in plastica, ma la bobina secondaria richiede un filo sottile ricoperto di vernice isolante, che è quello solitamente utilizzato negli avvolgimenti. L'avvolgimento può essere effettuato su un tubo di cartone o plastica di diametro compreso tra 3 e 4 cm.

Utilizzando il transistor

Va ricordato che ai tempi di Nikola Tesla non c'erano transistor. In questo caso il transistor sostituisce lo "spinterometro" o "esplosore" della versione originale. Il transistor verrà utilizzato come gate che consente o meno il passaggio di corrente. Per questo, il transistor è polarizzato come segue: il collettore c al terminale positivo e l'emettitore e al terminale negativo della batteria.

Quando la base b ha polarizzazione positiva, allora permette il passaggio di corrente dal collettore all'emettitore, altrimenti lo impedisce.

Nel nostro schema la base è collegata al positivo della batteria, ma è inserita una resistenza da 22 kilo ohm, per limitare l'eccesso di corrente che può bruciare il transistor.

Il circuito mostra anche un diodo LED che può essere rosso. La sua funzione verrà spiegata in seguito.

All'estremità libera della bobina secondaria L2 è posta una pallina di metallo, che può essere realizzata coprendo una pallina di polistirolo o una pallina da ping pong con un foglio di alluminio.

Questa sfera è la piastra di un condensatore C, l'altra piastra è l'ambiente. Questa è la cosiddetta capacità parassitaria.

Come funziona la Mini Tesla Coil

Quando l'interruttore S è chiuso, la base del transistor è polarizzata positivamente e anche l'estremità superiore della bobina primaria è polarizzata positivamente. Quindi appare improvvisamente una corrente che passa attraverso la bobina primaria, continua attraverso il collettore, lascia l'emettitore e ritorna alla batteria.

Questa corrente cresce da zero a un valore massimo in un tempo molto breve, motivo per cui induce una forza elettromotrice nella bobina secondaria. Questo produce una corrente che va dal fondo della bobina L2 alla base del transistor. Questa corrente cessa bruscamente la polarizzazione positiva della base in modo che il flusso di corrente attraverso il primario si arresti.

In alcune versioni il diodo LED viene rimosso e il circuito funziona. Tuttavia, posizionarlo migliora l'efficienza nel tagliare la polarizzazione della base del transistor.

Cosa succede quando circola la corrente?

Durante il ciclo di rapida crescita della corrente nel circuito primario una forza elettromotrice è stata indotta nella bobina secondaria. Poiché il rapporto di spire tra primario e secondario è compreso tra 3 e 275, l'estremità libera della bobina L2 ha una tensione di 825 V rispetto a massa.

Per quanto sopra si produce un intenso campo elettrico nella sfera del condensatore C in grado di ionizzare il gas a bassa pressione in un tubo al neon o lampada fluorescente che si avvicina alla sfera C e accelerare gli elettroni liberi all'interno del tubo. come per eccitare gli atomi che producono l'emissione di luce.

Quando la corrente è cessata bruscamente attraverso la bobina L1 e la bobina L2 scaricata attraverso l'aria circostante C verso terra, il ciclo viene riavviato.

Il punto importante in questo tipo di circuito è che tutto accade in un tempo molto breve, in modo da avere un oscillatore ad alta frequenza. In questo tipo di circuiti, il fruscio o l'oscillazione rapida prodotta dal transistor è più importante del fenomeno di risonanza descritto nella sezione precedente e riferito alla versione originale della bobina di Tesla.

Proposte di esperimenti con bobine mini Tesla

Una volta costruita la mini bobina di Tesla, è possibile sperimentarla. Ovviamente, i fulmini e le scintille delle versioni originali non verranno prodotti.

Tuttavia, con l'aiuto di una lampadina fluorescente o di un tubo al neon, possiamo osservare come l'effetto combinato dell'intenso campo elettrico generato nel condensatore all'estremità della bobina e l'alta frequenza di oscillazione di quel campo, rendono la lampada si accendono appena avvicinandosi alla sfera del condensatore.

Il forte campo elettrico ionizza il gas a bassa pressione all'interno del tubo, lasciando elettroni liberi all'interno del gas. Pertanto, l'alta frequenza del circuito fa sì che gli elettroni liberi all'interno del tubo fluorescente accelerino ed eccitino la polvere fluorescente che aderisce alla parete interna del tubo, facendola emettere luce.

Puoi anche avvicinare un LED luminoso alla sfera C, osservando come si illumina anche quando i pin del LED non sono collegati.

Riferimenti

1. Blake, teoria della bobina di T. Tesla. Estratto da: tb3.com.
2. Burnett, R. Funzionamento della bobina di Tesla. Estratto da: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. MacGraw Hill. 626-628.
4. Università del Wisconsin-Madison. Bobina di Tesla. Estratto da: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Bobina di Tesla. Estratto da: wikiwand.com.