La bobina di Tesla è un trasformatore risonante ad alta tensione inventato da Nikola Tesla.
È in grado di generare fulmini del tutto simili a quelli di origine atmosferica, anche se di entità ridotta. È un tipo di trasformatore isolato in aria (talvolta in olio) che consiste in due o anche tre circuiti elettrici accoppiati in risonanza. Tesla sperimentò una grande varietà di bobine e configurazioni. Le usò per condurre innovativi esperimenti sulla luce elettrica, fluorescenza, raggi X, fenomeni di corrente alternata ad alta frequenza, elettroterapia, trasmissione di segnali elettrici e di energia elettrica senza fili. Gli schemi dei primi modelli sono differenti da quelli più recenti. Una particolarità di questa bobina è quella di riuscire ad accendere i tubi fluorescenti senza che questi siano collegati ad alcun impianto elettrico: è infatti sufficiente avvicinare il tubo alla bobina per vederlo accendersi.
I primi e i più recenti progetti generalmente includono una sorgente ad alta tensione, uno o più condensatori ad alta tensione e uno spinterometro che funge da "interruttore" (o switch) per eccitare il circuito primario con impulsi periodici di corrente ad alta frequenza. Una bobina di Tesla generalmente lavora ad alta frequenza, dai 70 kHz ai 25 MHz (nelle bobine di Tesla a stato solido più recenti). Vi sono molti appassionati che si dedicano alla costruzione di bobine di Tesla.
Circuiti contenenti bobine di Tesla furono usati commercialmente nei trasmettitori radio a spinterometro per la telegrafia senza fili fino al 1920.Uth, Robert (December 12, 2000). "Tesla coil". Tesla: Master of Lightning. PBS.org. Ultimo accesso: 20 maggio 2008 Bobine di Tesla modificate sono ancora oggi usate come spinterometro per lampade a scarica usate per l'illuminazione. Sebbene esistano altri spinterometri, il progetto dell'originale spinterometro di Tesla è meno costoso, e facilmente realizzabile.
Storia Le prime bobine
La prima descrizione che si ha di una bobina di Tesla è un vaso di vetro, di 15 per 20 cm, attorno a questo è avvolto, da 60 a 80 giri, un cavo conduttore di 0,823 mm² di sezione. All'interno si inserisce un avvolgimento primario da otto a dieci giri di cavo di sezione 13,3 mm²; il tutto immerso in un recipiente contenente olio isolante (olio di lino o minerale)..
Bobine disruptive Nella primavera del 1891, Tesla diede una dimostrazione con varie macchine prima all'Istituto Americano degli Ingegneri Elettrici alla Columbia University. Seguendo le iniziali ricerche su tensione e frequenza di William Crookes, Tesla progettò e costruì una serie di bobine che producevano correnti ad alte tensioni e frequenze. Queste prime bobine utilizzavano una scarica disruptiva attraverso uno spinterometro. L'apparato può essere riprodotto utilizzando un rocchetto di Ruhmkorff, due condensatori ed una seconda bobina, costruita in modo particolare, disruptiva..
Il rocchetto di Ruhmkorff, essendo alimentato da una fonte principale, è collegato al condensatore su entrambi i terminali in serie. Uno spinterometro è applicato in parallelo al rocchetto di Ruhmkorff prima dei condensatori. I terminali di scarica erano in genere sfere di metallo di diametro minore di 25 mm (sebbene Tesla ne usasse in varie forme e dimensioni). I condensatori erano costruiti in modo particolare, piccoli e con grande isolamento. Questi condensatori consistevano in piastre mobili in bagno d'olio. Più piccole erano e più frequenti erano le scariche di questi primi apparati a bobina. Le piastre aiutano a eliminare anche l'autoinduzione della seconda bobina fornendole la capacità. Placche di mica erano piazzate nello spinterometro per stabilire un getto di corrente d'aria che attraversa i terminali. Ciò aiutava a eliminare l'arco elettrico, rendendo più brusca la scarica. Per questo scopo si utilizzava anche un getto d'aria..
I condensatori sono connessi a una doppia bobina primaria (ognuna in serie con un condensatore). Queste sono parti di una seconda bobina disruptiva costruita in modo speciale. Gli avvolgimenti primari hanno ognuno venti giri di cavo conduttore isolato di 1,31 mm² e sono avvolti separatamente su tubi di plastica spessi almeno di 3,2 mm. Il secondario ha trecento avvolgimenti di cavo conduttore isolato con seta avvolto su un tubo di plastica o barra, e i terminali incassati in tubi di vetro o plastica. Gli avvolgimenti primari devono essere larghi abbastanza da lasciare uno spazio quando la bobina secondaria è messa tra gli avvolgimenti. I primari devono coprire di mezzo centimetro attorno al secondario. Un divisore in gomma dura deve essere posizionato fra le spire primarie. I terminali del primario non sono connessi con i condensatori ma con lo spinterometro..
Nel brevetto , Sistema di illuminazione elettrico (1891 23 giugno), Tesla descrive questa prima bobina disruptiva. Essa fu ideata per convertire ed erogare energia elettrica in forma adatta per la produzione di certi nuovi fenomeni elettrici, che richiedevano correnti di alta frequenza e tensione. È anche specificato un condensatore immagazzinatore di energia e un meccanismo di scarica sul primario di un trasformatore a radiofrequenza. Questo è il primo elementare esempio di alimentatore a radio-frequenza capace di eccitare un'antenna per emettere una potente radiazione elettromagnetica.
Un'altra bobina di Tesla fu registrata nel 1897 dal brevetto , Trasformatore elettrico. Questo trasformatore erogava correnti ad alta tensione ed era composto da una bobina primaria e secondaria (facoltativamente, un terminale del secondario poteva essere connesso elettricamente con il primario; come i moderni dispositivi d'accensione per auto). Questa bobina di Tesla aveva il secondario posto all'interno e circondato dalle spire del primario. Questo consisteva in un primario e secondario avvolti in forma di una spirale piatta. Una bobina, il secondario in trasformazione progressiva, dell'apparato consisteva in un cavo sottile più lungo. Il congegno era anche connesso a terra quando la bobina era in uso.
Ultimi progetti di bobine
Ultimi progetti di bobine Tesla, nel brevetto System of Transmission of Electrical Energy e nel Apparatus for Transmission of Electrical Energy, descrive innovative composizioni di bobine di trasmissione. La bobina, o il conduttore trasmittente sono strutturati e sollecitati a produrre correnti ed oscillazioni di campo attraverso l'ambiente fino a una notevole distanza, fino a una bobina o un conduttore riceventi l'energia trasmessa.Peterson, Gary, "Comparing the Hertz-wave and Tesla wireless systems". Feed Line No. 9 Article Con queste bobine furono raggiunti potenziali molto elevati. Tardivamente brevettò con , Metodo di segnalazione, e con , Sistema di Segnalazione, sistemi per bobine ad alta capacità trasmissiva con elettrodo a terra.
Alcune delle ultime bobine di Tesla furono considerevolmente le più grandi e col maggior potenziale elettrico. Quando Tesla brevettò l'ultimo dispositivo in (Apparatus for Transmitting Electrical Energy), lui definì il dispositivo in maniera alquanto complessa, come un “trasformatore ad alta tensione, air-core (con nucleo ad aria), auto rigenerativo, risonante, per generare alte tensioni a elevata frequenza”.
Le ultime bobine di Tesla furono a loro volta alimentate da grandi trasformatori ad alta tensione, usando per l'accumulo grandi condensatori a Bottiglia di Leida, immersi in olio (per ridurre le perdite a effetto corona, e usando appositi interruttori per governare gli alti livelli di potenziale. Gli interruttori furono singolarmente dotati di ventilatori di raffreddamento per poter reggere le condizioni operative.
Tesla, anche se in qualche caso usò olio per isolare le sue bobine, più spesso confidò sulle proprietà isolanti dell'aria; usò forme delle parti emittenti di sommità degli apparati (topload) aventi ampio raggio di curvatura, ancora per minimizzare le perdite per effetto corona (dette streamer).
Il guadagno in tensione del circuito al toroide è proporzionale alla carica spostata, la quale è determinata dalla entità di capacità (carica) del circuito, dalla tensione (che Tesla chiama "Pressione elettrica" in analogia al parametro idraulico), e dalla frequenza della corrente impiegata.
Funzionamento
Un trasformatore a bobina di Tesla opera in una maniera significativamente diversa da un trasformatore convenzionale (per es. con nucleo in ferro). In un trasformatore convenzionale, le spire sono molto vicine tra loro, e il guadagno di tensione è limitato al rapporto dei numeri di giri delle spire. Diversamente, il guadagno di tensione di una bobina di Tesla può essere significativamente più grande, poiché è proporzionale alla radice quadrata del rapporto delle induttanze secondarie e primarie. La bobina trasferisce energia da un circuito risonante che oscilla da uno (il primario) all'altro (il secondario) su un numero dei cicli di RF. Appena il primario trasferisce energia al secondario, la tensione di produzione secondaria aumenta finché tutta l'energia primaria disponibile è stata trasferita al secondario (con buona efficienza). Anche con perdite di scariche elettriche significative una bobina di Tesla ben progettata può trasferire oltre l'85% dell'energia immagazzinata inizialmente nel condensatore primario al circuito secondario. Come l'energia si forma all'interno del circuito secondario oscillante, l'ampiezza della tensione del toroide rapidamente aumenta superando il valore di tensione critica e l'aria che circonda il toroide comincia a subire una rottura dielettrica, formando scariche per effetto corona.
Gli appassionati per apparati ad alta tensione ai giorni d'oggi costruiscono di solito bobine di Tesla che sono simili ad alcuni dei progetti più recenti di Tesla, con nucleo ad aria. Questi consistono tipicamente in un circuito di accumulo primario che è un circuito LC serie composto da un condensatore di alta tensione, uno spinterometro, e una bobina primaria; e il circuito di LC secondario, un circuito in serie risonante che consiste della bobina secondaria ed il toroide. Nei piani originali di Tesla, il circuito LC secondario è composto da una bobina secondaria caricata messa poi in serie con una grande bobina elicoidale. La bobina elicoidale era connessa poi al toroide. La maggior parte di bobine moderne usa solamente una sola bobina secondaria. Il toroide in effetti è un terminale di un condensatore, essendo l'altro terminale la messa a terra. Il circuito di LC primario è sintonizzato in modo da risonare alla stessa frequenza del circuito LC secondario. Le bobine primarie e secondarie sono accoppiate magneticamente, creando un trasformatore con nucleo ad aria risonante e doppiamente sintonizzato. Diversamente da un trasformatore convenzionale che può accoppiare più del 97% dei campi magnetici tra le spire, gli avvolgimenti di una Bobina di Tesla sono accoppiati "liberamente", col primario e secondario che condividono tipicamente solo il 10-20% dei loro rispettivi campi magnetici. Le prime Bobine di Tesla isolate a olio necessitavano di grossi isolamenti ai loro collegamenti per prevenire scariche in aria. Più recenti versioni di bobine di Tesla emettono campi elettrici a grandi distanze, permettendo perciò operazioni all'aria aperta.