Bobina di Tesla

La bobina di tesla credo sia un dei miei primi esperimenti degli di nota e che h suscitato un modesto successo.
L’idea di partenza è molto semplice ma comunque ambiziosa, volevo costruire una bobina di Tesla in casa evitando di acquistare kit da assemblare o parti ready-to-use.

Un accenno di storia e teoria

La bobina di Tesla come si può ben capire è uno strumento ideato e realizzato da Nikola Tesla uno scienziato croato delsecolo scorso.
Nikola Tesla condusse numerosi esperimenti per studiare soprattutto fenomeni di tipo elettromagnetico, ideò quindi uno strumento che potessegenerare consistenti campi di questo tipo avvalendosi di particolari bobine configuate opportunamente.

Il campo elettomagnetico generato da questo strumento è molto intenso e una delle conseguenze più evindenti sono le scariche elettriche che si formano.
Il principio di funzionamento è semplice ma al contempo geniale, si utilizza un generatore di alta tensione per alimentare un gruppo bobina-condensatore, si porta questo circuito alla frenquenza di risonanza, infine di utilizza una seconda bobina accopiata alla precedente per amplificare il campo eletromagnetico.

Questa pagina non ha come scopo quello di esporre la bibliografia di Nikola Tesla e nemmeno di illustrare nel dettaglio le notizioni di fisica necessarie a comprendere completamente i principi di funzionamento, perciò vi rimando a pagine esterne che trattano questi temi.Nikola Tesla secondo WikipediaBobina di Tesla secondo Wikipedia

Il circuito

Procediamo quindi ad analizzare il circuito della bobina di Tesla:

La versione proposta è definita di tipo spintermetrico, ovvero la versione più semplice da realizzare, il nome è dovuto alla presenza di una spark gap ( o spinterometro), questo componente è stato rimpiazzato nelle versioni più recenti da elementi come circuiti a transistor o valvolari
Il circuito è composto da pochi fondamentali elementi:

• Spinterometro
• Generatore di alta tensione
• Bobina primaria
• Bobina secondaria
• Condensatore di tank

Il funzionamento del circuito può essere suddiviso in alcuni passi fondamentali:

1. Il generatore di alta tensione carica il condensatore, aumentando la tensione ai sui terminali
2. Quando il condensatore raggiunge una data tensione soglia, lo spark-gap genera una scarica elettrica
3. Lo spark-gap può essere idealmente equiparato ad un corto circuito
4. Il condensatore inizia a scaricare l’energia accumulata sulla bobina primaria dando inizio all’oscillazione tipica di un circuito serie L-C
5. La bobina primaria genera una variazione del campo eletromagnico
6. La variazione del campo elettromagnetico induce sulla bobina secondaria (si ha quindi una trasmissione di energia tra circuito primario e secondaria)
7. Per effetto di perdite di varia natura ( vedi ad esempio effetto Joule, resistenze parassitarie .. ) l’oscillazione si attenua fino ad esaurirsi
8. All’esaursi dell’energia accumulata lo spark-gap termina la sua funzioni di corto circuito e il ciclo ricomincia.

Mi rendo conto che una lista numerata di passi non sarà mai in grado di riassumere sufficentemente questo feneomento, ma credo sia quanto meno d’obbligo dare un idea sommaria di cosa succeda in questo circuito, per un’analisi più approfondita vi rimando ai link proposti precedentemente

La componentistica

Ora consideriamo ogni elemento del circuito descrivendo la sua funzione e come questo può essere realizzato.

1.Generatore di alta tensione

Il generatore di alta tensione ha come compito quello di fornire energia a tutto il circuito, si può scegliere se acqustarne uno oppure realizzarne uno (ovviamente più modesto), la mia scelta di rielizzarne uno su millefori partendo dal circuito che segue.

Questo schema è molto semplice è può essere sicuramente migliorato inserendo ad esempio delleprotezioni per i 2 transistor, ma offre comunque alcuni vantaggi come:

• Facile e veloce da realizzare
• Componentistica economica e facile da trovare
• Facile da calibrare

Specifiche del circuito

R1 a 27 Ohm e R2 a 270 Ohm (il rapporto tra le resistenze deve essere all’incirca 1:10).
T1 e T2 sono duetransistor di potenza NPN ad esempio un 2N3055 (bisogna pensare a raffreddare questi due componenti con due dissipatori, in base ai transistor montati e in base al carico che questi avranno).
L1 è un’avvolgimento formato da 5+5 spire mentre L2 è composto da 2+2 spire, in questo modo si fanno lavorare i due transistor in commutazione ottenendo un circuito simile ad un conventitore DC/AC. L1 e L2 sono gli avvolgimenti fatti su un trasformatore di riga usato nei televisori per generare alte tensione, necessarie per il funzionamento del tubo catodico.L3 è l’avvolgimento secondario originale del trasformatore, il rapporto tra le spire dei due avvolgimenti è tale che si generi ai capi di L3 una tensione elevata.

2.Spinterometro

Questo componente è relativamente facile da realizzare essendo composto generamente da due o piu elettrodi affiancati, nella versione più semplice questo componente si riduce a due elementi conduttori di forma sferica posti a qualche millimetro di distanza, mentre nelle versioni più elaborati può avere più gruppi di elettrodi e anche elementi in movimento.

Lo spinteromentro nel nostro caso ha funzione di interuttore, ovvero, se ai capi degli elettrodi non vi è una differenza di potenziale sufficiente a superare la resistenza dielettrica dell’aria (circa 3 kV/mm), questo componente può essere equiparato ad un circuito aperto; nel caso in cui la d.d.p. tra gli elettrodi superi la resistenza dielettrica dell’aria si va a creare un canale ionizzato tra le due parti potendo idealmente equiparare lo spinteromentro ad un cirtuito chiuso.

In questa particolare realizzazione ho scelto di realizzarne una versione molto semplice, due elettrodi fissi con perno ad angolazione variabile per poter modificare agevolmente la distanza tra gli elettrodi.

3.Condensatore

Questo componente ha il compito di immagazzinare energia, a differenza dei comuni condensatori deve essere in grado di resistere a tensioni di diverse migliaia di Volt.

• Spinterometro
• Generatore di alta tensione
• Bobina primaria
• Bobina secondaria
• Condensatore di tank

In commerico esistono condensatori di questo tipo ma sono costosi, una via più economica può essere quella di creare dei “banchi di condensatori'” ovvero dei gruppi serie/parallelo di condensatori con tensioni di lavoro sul centianio di Volt oppure come ultima alternativa si può decidere di realizzare delle bottiglie di Leyda o anche dei condensatori in polipropilene.

I condensatori in polipropilene si ottengono alternando fogli di materiale conduttore e di dielettrico ( polipropilene) creando di fatto una realizzazione pratica della definizione di condensatore, ovvero, due o più piastre metalliche separate da un materiale dielettrico, lo schema generale di questo componente può essere il seguente:

Una bottiglia di Leyda non è altro che un condensatore ridotto alla pura definizione, due armature separate da un dielettrico, nello specifico utilizziamo una bottiglia di vetro che operera da dielettrico questa verrà avvolta con della carta stagnola nella parte inferiore realizzando una delle due armature, la seconda si otterrà riempendo il contenitore con acqua salata; di seguito riporto uno schema per chiarire meglio il concetto.

Le bottiglia di Leyda sono semplici da realizzare e non richiedono particolari strumenti, purtroppo hanno anche uno svantaggio ovvero disperdono velocemente l’energia accumulata e non hanno una buona risposta in frequenza, ma considerenado il risultato finale che vogliamo raggiungere possiamo comunque trascurare questi problemi.

4.Bobina primaria

La bobina primaria deve creare il campo elettromagnetico derivante dalle oscillazioni di corrente dovute al circuito primario, le caratteristiche principali a cui fare attenzione sono:

• Numero di spire o avvolgimenti
• Diametro del conduttore
• Forma della bobina

Le caratteristiche elencate possono influire pesantemente nel risultato finale, quindi sarà opportuno effettuare un studio preventivo per arrivare ad una stima di questi parametri.

5.Bobina secondaria

La bobina secondaria è prorbabilmente l’elemente che cattura l’attenzione, questa bobina è accoppiata con la precedente, in seguito alle variazioni di campo elettromagnatico generate dal primario questa bobina crea una tensione indotta ai suoi capi che causa le scariche elettriche tipiche dalla Bobina di Tesla.

Questa bobina deve avere un nuomero elevato di avvolgimenti ( almeno qualche migliaio), il filo utilizzato deve avere un diametro limitato (in confronto a quello del primario) e gli avvolgimenti devono essere ben isolati.

Nel mio caso ho utilizzato del filo di rame smaltato dal 0.4 mm di diametro, la bobina è composta da circa 700 spire e a fine lavoro la bobina e stata ulteriormente isolata con delle smalto per trasformatori.

Assembliamo i componenti

Dopo aver ottenuto tutti i componente elencati precedentemente si può procedere a collegarli seguento il circuito riportato all’inizio di questa pagine, facendo attenzione a rispettare le polarità degli elementi, di utilizzare cavi di collegamenti adeguati e soprattutto alla propria sicurezza.

Alla prima accensione del prototipo probabilmente non si avranno grandi risultati, quindi bisognarà investire del tempo nel calibrare i vari elementi agendo ad esempio sulla distanza dello spark gap e sul numero di avvolgimento del primario.

Conclusa la fase di calibrazione possiamo finalmente fermarci ad ammirare la nostra creazione.

Le prove

Nikola Tesla concepì questo strumento per effettuare degli studi sui campi elettromagnetici, ma noi possiamo limitarci ad effettuare delle prove interessanti come:

Se avviciniamo un metallo ai terminali della bobina socondaria si formerà una scarica elettrica.

Se avviciniamo una lampanda neon al secondario, per effetto del campo elettromagnetico questa di illimierà.

Se collegiamo una lampadina ad incandescenza al termianle del secondario otterremo una sfera al plasma grezza macomunque funzionale.