Tesla-Transformator

Tesla-Spule ⓘ
	Tesla-Spule im Questacon, dem nationalen Wissenschafts- und Technologiezentrum in Canberra, Australien
Verwendungszwecke	Anwendung in pädagogischen Demonstrationen, neuartige Beleuchtung, Musik
Erfinder	Nikola Tesla
Verwandte Themen	Transformator, elektromagnetisches Feld, Resonanz

Eine Teslaspule ist ein elektrischer Resonanztransformator, der von dem Erfinder Nikola Tesla 1891 entwickelt wurde. Er wird zur Erzeugung von Hochspannung, Schwachstrom und Hochfrequenz-Wechselstrom verwendet. Tesla experimentierte mit einer Reihe verschiedener Konfigurationen, die aus zwei oder manchmal drei gekoppelten elektrischen Resonanzkreisen bestanden. ⓘ

Tesla benutzte diese Schaltkreise, um innovative Experimente in den Bereichen elektrische Beleuchtung, Phosphoreszenz, Erzeugung von Röntgenstrahlen, Hochfrequenz-Wechselstromphänomene, Elektrotherapie und drahtlose Übertragung von elektrischer Energie durchzuführen. Tesla-Spulenschaltungen wurden bis in die 1920er Jahre kommerziell in Funkenstrecken-Funksendern für die drahtlose Telegrafie und in medizinischen Geräten wie Elektrotherapie- und Violettstrahlgeräten eingesetzt. Heute werden sie hauptsächlich für Unterhaltungs- und Bildungszwecke verwendet, obwohl kleine Spulen immer noch als Leckdetektoren für Hochvakuumsysteme eingesetzt werden. ⓘ

Ursprünglich verwendeten Teslaspulen feste Funkenstrecken oder Drehfunkenstrecken, um eine intermittierende Erregung des Schwingkreises zu gewährleisten; in jüngerer Zeit werden elektronische Geräte verwendet, um die erforderliche Schaltfunktion zu gewährleisten. ⓘ

Im Gegensatz zu Leistungstransformatoren, welche im Hochspannungsbereich eingesetzt werden und deren Anwendung im Bereich der elektrischen Energietechnik liegt, bewegt sich trotz hoher Momentanleistungen die mittlere Leistung von Tesla-Transformatoren im Bereich von einigen Watt bis zu einigen Kilowatt. Aufgrund der meist geringen Leistungen dienen sie als relativ gefahrlose Hochspannungsquelle für verschiedenartige Schauexperimente; für die elektrische Energietechnik haben sie keine Bedeutung. ⓘ

Impuls-Tesla-Transformator in Betrieb ⓘ

Betrieb

Selbstgebaute Teslaspule im Betrieb, mit Büschelentladungen aus dem Ringkern. Das hohe elektrische Feld führt dazu, dass die Luft um die Hochspannungsklemme ionisiert wird und Strom leitet, so dass Elektrizität in Form von farbenprächtigen Koronaentladungen, Büschelentladungen und Streamer-Bögen in die Luft entweicht. Teslaspulen werden zur Unterhaltung in Wissenschaftsmuseen und bei öffentlichen Veranstaltungen sowie für Spezialeffekte in Film und Fernsehen eingesetzt. ⓘ

Eine Teslaspule ist ein Hochfrequenzoszillator, der einen doppelt abgestimmten Luftkern-Resonanztransformator antreibt, um hohe Spannungen bei niedrigen Strömen zu erzeugen. Teslas ursprüngliche Schaltungen wie auch die meisten modernen Spulen verwenden eine einfache Funkenstrecke, um den abgestimmten Transformator zu Schwingungen anzuregen. Anspruchsvollere Konstruktionen verwenden Transistor- oder Thyristorschalter oder elektronische Röhrenoszillatoren zur Ansteuerung des Resonanztransformators. ⓘ

Teslaspulen können Ausgangsspannungen von 50 Kilovolt bis zu mehreren Millionen Volt bei großen Spulen erzeugen. Der ausgegebene Wechselstrom liegt im niedrigen Hochfrequenzbereich, normalerweise zwischen 50 kHz und 1 MHz. Obwohl einige oszillatorbetriebene Spulen einen kontinuierlichen Wechselstrom erzeugen, haben die meisten Teslaspulen einen gepulsten Ausgang; die Hochspannung besteht aus einer schnellen Folge von Impulsen von Hochfrequenz-Wechselstrom. ⓘ

Die unten dargestellte, übliche funkenerregte Teslaspulenschaltung besteht aus folgenden Komponenten

Einem Hochspannungsversorgungstransformator (T), der die Netzwechselspannung auf eine ausreichend hohe Spannung erhöht, um die Funkenstrecke zu überspringen. Typische Spannungen liegen zwischen 5 und 30 Kilovolt (kV).
einen Kondensator (C1), der einen Schwingkreis mit der Primärwicklung L1 des Tesla-Transformators bildet
Eine Funkenstrecke (SG), die als Schalter im Primärkreis fungiert
Die Teslaspule (L1, L2), ein doppelt abgestimmter Resonanztransformator mit Luftkern, der die hohe Ausgangsspannung erzeugt.
Optional eine kapazitive Elektrode (Top Load) (E) in Form einer glatten Metallkugel oder eines Torus, die an der Sekundärklemme der Spule angebracht ist. Ihre große Oberfläche unterdrückt den vorzeitigen Luftdurchbruch und die Bogenentladungen und erhöht den Q-Faktor und die Ausgangsspannung. ⓘ

Resonanztransformator

Der in der Teslaspulenschaltung verwendete Spezialtransformator, der auch als Resonanztransformator, Oszillationstransformator oder Hochfrequenztransformator (RF) bezeichnet wird, funktioniert anders als ein gewöhnlicher Transformator, der in Wechselstromkreisen verwendet wird. Während ein gewöhnlicher Transformator darauf ausgelegt ist, Energie effizient von der Primär- zur Sekundärwicklung zu übertragen, ist der Resonanztransformator auch dafür ausgelegt, elektrische Energie vorübergehend zu speichern. Jede Wicklung hat eine Kapazität und funktioniert als LC-Schaltung (Resonanzkreis, abgestimmter Kreis), die schwingende elektrische Energie speichert, ähnlich wie eine Stimmgabel mechanische Schwingungsenergie speichert. Die Primärspule (L1), die aus relativ wenigen Windungen eines schweren Kupferdrahtes oder -rohres besteht, ist über die Funkenstrecke (SG) mit einem Kondensator (C1) verbunden. Die Sekundärspule (L2) besteht aus vielen Windungen (Hunderte bis Tausende) aus feinem Draht in einer hohlzylindrischen Form innerhalb der Primärspule. Die Sekundärspule ist nicht mit einem eigentlichen Kondensator verbunden, sondern funktioniert auch als LC-Schaltung. Die Induktivität von (L2) schwingt mit der Streukapazität (C2), der Summe der parasitären Streukapazität zwischen den Windungen der Spule und der Kapazität der ringförmigen Metallelektrode, die an der Hochspannungsklemme angebracht ist. Der Primär- und der Sekundärkreis sind so abgestimmt, dass sie dieselbe Resonanzfrequenz haben, so dass sie Energie austauschen und wie ein gekoppelter Oszillator wirken; bei jedem Funken schwingt die gespeicherte Energie schnell zwischen Primär- und Sekundärkreis hin und her. ⓘ

Die besondere Konstruktion der Spule wird durch die Notwendigkeit bestimmt, bei hohen Frequenzen niedrige ohmsche Energieverluste (hoher Q-Faktor) zu erreichen, was zu den größten Sekundärspannungen führt:

Gewöhnliche Leistungstransformatoren haben einen Eisenkern, um die magnetische Kopplung zwischen den Spulen zu erhöhen. Bei hohen Frequenzen verursacht ein Eisenkern jedoch Energieverluste aufgrund von Wirbelströmen und Hysterese, weshalb er in der Teslaspule nicht verwendet wird.
Gewöhnliche Transformatoren sind so konstruiert, dass sie "eng gekoppelt" sind. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärseite sind eng um den Eisenkern gewickelt. Aufgrund des Eisenkerns und der engen Nachbarschaft der Wicklungen haben sie eine hohe gegenseitige Induktivität (M), der Kopplungskoeffizient liegt nahe an der Einheit 0,95 - 1,0, was bedeutet, dass fast das gesamte Magnetfeld der Primärwicklung durch die Sekundärwicklung geht. Der Tesla-Transformator dagegen ist "lose gekoppelt", die Primärwicklung hat einen größeren Durchmesser und ist von der Sekundärwicklung beabstandet, so dass die gegenseitige Induktivität geringer ist und der Kopplungskoeffizient nur 0,05 bis 0,2 beträgt. Dies bedeutet, dass nur 5 % bis 20 % des Magnetfelds der Primärspule durch die Sekundärspule fließen, wenn diese offen ist. Die lose Kopplung verlangsamt den Energieaustausch zwischen der Primär- und der Sekundärspule, so dass die oszillierende Energie länger im Sekundärkreis verbleibt, bevor sie zur Primärspule zurückkehrt und sich in den Funken verflüchtigt.
Außerdem ist jede Wicklung auf eine einzige Drahtlage beschränkt, was die Verluste durch den Proximity-Effekt verringert. In der Primärwicklung fließen sehr hohe Ströme. Da Hochfrequenzströme aufgrund des Skineffekts meist an der Oberfläche von Leitern fließen, wird sie häufig aus Kupferrohren oder -bändern mit einer großen Oberfläche hergestellt, um den Widerstand zu verringern, und die Windungen sind voneinander getrennt, was die Verluste durch den Annäherungseffekt und die Lichtbogenbildung zwischen den Windungen reduziert. ⓘ

Unipolares Spulendesign, das in modernen Spulen weit verbreitet ist. Die Primärspule ist die flache rote Spiralwicklung am Boden, die Sekundärspule ist die vertikale zylindrische Spule, die mit feinem rotem Draht gewickelt ist. Der Hochspannungsanschluss ist der Aluminiumtorus an der Spitze der Sekundärspule.

Bipolare Spule, verwendet im frühen 20. Jahrhundert. Es gibt zwei Hochspannungsausgangsanschlüsse, die jeweils mit einem Ende der Sekundärspule verbunden sind, mit einer Funkenstrecke dazwischen. Die Primärspule besteht aus 12 Windungen dickem Draht, der in der Mitte der Sekundärspule angeordnet ist, um Lichtbögen zwischen den Spulen zu vermeiden. ⓘ

Die Ausgangsschaltung kann in zwei Formen erfolgen:

Unipolar: Ein Ende der Sekundärwicklung ist mit einer einzigen Hochspannungsklemme verbunden, das andere Ende ist geerdet. Dieser Typ wird in modernen Spulen für Unterhaltungszwecke verwendet. Die Primärwicklung befindet sich in der Nähe des unteren, niedrigpotentialigen Endes der Sekundärwicklung, um Lichtbögen zwischen den Wicklungen zu minimieren. Da die Masse (Erde) als Rückleitung für die Hochspannung dient, neigen Lichtbögen von der Klemme dazu, zu jedem geerdeten Objekt in der Nähe zu springen.
Bipolar: Keines der beiden Enden der Sekundärwicklung ist geerdet, und beide werden zu den Hochspannungsklemmen geführt. Die Primärwicklung befindet sich in der Mitte der Sekundärspule, in gleichem Abstand zwischen den beiden Hochspannungsklemmen, um Lichtbögen zu vermeiden. ⓘ

Betriebszyklus

Die Schaltung arbeitet in einem schnellen, sich wiederholenden Zyklus, in dem der Speisetransformator (T) den Primärkondensator (C1) auflädt, der sich dann in einem Funken durch die Funkenstrecke entlädt, wodurch ein kurzer Impuls mit oszillierendem Strom im Primärkreis erzeugt wird, der eine hohe oszillierende Spannung am Sekundärkreis anregt:

Der Strom aus dem Speisetransformator (T) lädt den Kondensator (C1) auf eine hohe Spannung auf.
Wenn die Spannung am Kondensator die Durchbruchspannung der Funkenstrecke (SG) erreicht, entsteht ein Funke, der den Widerstand der Funkenstrecke auf einen sehr niedrigen Wert reduziert. Dadurch wird der Primärstromkreis geschlossen und der Strom aus dem Kondensator fließt durch die Primärspule (L1). Der Strom fließt schnell zwischen den Platten des Kondensators durch die Spule hin und her und erzeugt im Primärkreis einen hochfrequenten Schwingungsstrom mit der Resonanzfrequenz des Kreises.
Das oszillierende Magnetfeld der Primärwicklung induziert nach dem Faradayschen Induktionsgesetz einen oszillierenden Strom in der Sekundärwicklung (L2). Über eine Reihe von Zyklen wird die Energie des Primärkreises auf den Sekundärkreis übertragen. Die Gesamtenergie in den abgestimmten Kreisen ist auf die ursprünglich im Kondensator C1 gespeicherte Energie begrenzt, so dass die Schwingungen im Primärkreis auf Null zurückgehen, wenn die Amplitude der Schwingungsspannung im Sekundärkreis zunimmt ("Ring Up"). Obwohl die Enden der Sekundärspule offen sind, wirkt sie aufgrund der Kapazität (C2), die sich aus der parasitären Kapazität zwischen den Windungen der Spule und der Kapazität der Ringkern-Elektrode E zusammensetzt, ebenfalls wie ein Schwingkreis. Aufgrund der geringen Kapazität ist die oszillierende Spannung über der Sekundärspule, die an der Ausgangsklemme erscheint, viel größer als die Primärspannung.
Der Sekundärstrom erzeugt ein Magnetfeld, das eine Spannung in der Primärspule induziert, und über eine Reihe weiterer Zyklen wird die Energie zurück in die Primärspule übertragen, wodurch die oszillierende Spannung in der Sekundärspule abnimmt ("Ring Down"). Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei die Energie schnell zwischen dem primären und dem sekundären Schwingkreis hin- und hergeschoben wird. Die oszillierenden Ströme in der Primär- und der Sekundärseite klingen allmählich ab, da die Energie in Form von Wärme in der Funkenstrecke und im Widerstand der Spule abgeleitet wird.
Wenn der Strom durch die Funkenstrecke nicht mehr ausreicht, um die Luft in der Funkenstrecke ionisiert zu halten, stoppt der Funke ("löscht") und beendet den Strom im Primärkreis. Der oszillierende Strom im Sekundärkreis kann noch einige Zeit anhalten.
Der Strom aus dem Speisetransformator beginnt, den Kondensator C1 wieder aufzuladen, und der Zyklus wiederholt sich. ⓘ

Dieser gesamte Zyklus läuft sehr schnell ab, die Schwingungen klingen in der Größenordnung von einer Millisekunde ab. Jeder Funken über die Funkenstrecke erzeugt einen Impuls mit gedämpfter sinusförmiger Hochspannung am Ausgangsanschluss der Spule. Jeder Impuls klingt ab, bevor der nächste Funke entsteht, so dass die Spule eine Reihe von gedämpften Wellen und keine kontinuierliche Sinusspannung erzeugt. Die Hochspannung vom Versorgungstransformator, die den Kondensator auflädt, ist eine Sinuswelle mit 50 oder 60 Hz. Je nachdem, wie die Funkenstrecke eingestellt ist, entstehen in der Regel ein oder zwei Funken auf dem Scheitelpunkt jeder Halbwelle des Netzstroms, also mehr als hundert Funken pro Sekunde. Der Funke an der Funkenstrecke erscheint also kontinuierlich, ebenso wie die Hochspannungsströme an der Spitze der Spule. ⓘ

Die Sekundärwicklung des Versorgungstransformators (T) ist mit dem abgestimmten Primärkreis verbunden. Man könnte meinen, dass der Transformator ein Leckpfad für den HF-Strom wäre und die Schwingungen dämpfen würde. Seine große Induktivität verleiht ihm jedoch eine sehr hohe Impedanz bei der Resonanzfrequenz, so dass er als offener Stromkreis für den Schwingungsstrom wirkt. Wenn der Versorgungstransformator eine unzureichende Kurzschlussinduktivität aufweist, werden Hochfrequenzdrosseln in seine Sekundärleitungen eingesetzt, um den HF-Strom zu blockieren. ⓘ

Oszillationsfrequenz

Um die größte Ausgangsspannung zu erzeugen, werden der Primär- und der Sekundärkreis auf Resonanz zueinander eingestellt. Die Resonanzfrequenzen der Primär- und Sekundärkreise, $\scriptstyle f_{1}$ und $\scriptstyle f_{2}$ werden durch die Induktivität und Kapazität in jedem Kreis bestimmt:

f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,

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Im Allgemeinen ist der Sekundärkreis nicht einstellbar, so dass der Primärkreis abgestimmt wird, in der Regel durch einen beweglichen Abgriff an der Primärspule L₁, bis er bei derselben Frequenz wie der Sekundärkreis mitschwingt:

f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,

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Die Bedingung für die Resonanz zwischen Primär- und Sekundärkreis ist also:

L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\,

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Die Resonanzfrequenz von Teslaspulen liegt im niedrigen Radiofrequenzbereich (RF), in der Regel zwischen 50 kHz und 1 MHz. Aufgrund des impulsiven Charakters des Funkens erzeugen sie jedoch Breitband-Funkrauschen und können ohne Abschirmung eine erhebliche Quelle von Funkstörungen sein, die den Radio- und Fernsehempfang in der Nähe stören. ⓘ

Ausgangsspannung

Große Spule, die 3,5 Meter lange Lichtbögen erzeugt, die ein Potenzial von Millionen von Volt anzeigen ⓘ

In einem Resonanztransformator wird die hohe Spannung durch Resonanz erzeugt; die Ausgangsspannung ist nicht proportional zum Windungsverhältnis, wie bei einem gewöhnlichen Transformator. Sie kann näherungsweise aus der Energieerhaltung berechnet werden. Zu Beginn des Zyklus, wenn der Funke gezündet wird, ist die gesamte Energie im Primärkreis $W_{1}$ in dem Primärkondensator gespeichert $C_{1}$ . Wenn $V_{1}$ die Spannung ist, bei der die Funkenstrecke zusammenbricht, was in der Regel in der Nähe der Spitzenausgangsspannung des Speisetransformators T liegt, ist diese Energie

W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,

Während des Hochlaufs wird diese Energie auf den Sekundärkreis übertragen. Obwohl ein Teil davon als Wärme im Funken und anderen Widerständen verloren geht, landen bei modernen Spulen über 85 % der Energie in der Sekundärwicklung. An der Spitze ( $V_{2}$ ) der sinusförmigen Sekundärspannung wird die gesamte Energie im Sekundärkreis $W_{2}$ in der Kapazität $C_{2}$ zwischen den Enden der Sekundärspule

W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,

Unter der Annahme, dass keine Energieverluste auftreten, $W_{2}\;=\;W_{1}$ . Setzt man diese Gleichung ein und vereinfacht sie, so ergibt sich die Spitzensekundärspannung wie folgt

$V_{2}=V_{1}{\sqrt {C_{1} \over C_{2}}}=V_{1}{\sqrt {L_{2} \over L_{1}}}.$

Die zweite obige Formel wird aus der ersten abgeleitet, indem die Resonanzbedingung $L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}$ . Da die Kapazität der Sekundärspule im Vergleich zum Primärkondensator sehr klein ist, wird die Primärspannung auf einen hohen Wert angehoben. ⓘ

Die oben genannte Spitzenspannung wird nur bei Spulen erreicht, in denen keine Luftentladungen auftreten; bei Spulen, die Funken erzeugen, wie z. B. Unterhaltungsspulen, ist die Spitzenspannung an der Klemme auf die Spannung begrenzt, bei der die Luft zerfällt und leitfähig wird. Wenn die Ausgangsspannung bei jedem Spannungsimpuls ansteigt, erreicht sie den Punkt, an dem die Luft neben der Hochspannungsklemme ionisiert und Korona, Büschelentladungen und Lichtbögen von der Klemme ausgehen. Dies geschieht, wenn die elektrische Feldstärke die Durchschlagfestigkeit der Luft übersteigt, etwa 30 kV pro Zentimeter. Da das elektrische Feld an scharfen Punkten und Kanten am größten ist, beginnen die Luftentladungen an diesen Stellen der Hochspannungsklemme. Die Spannung an der Hochspannungsklemme kann nicht über die Luftdurchschlagsspannung ansteigen, da zusätzliche elektrische Ladung, die von der Sekundärwicklung in die Klemme gepumpt wird, einfach in die Luft entweicht. Die Ausgangsspannung von Freiluft-Teslaspulen ist durch die Luftdurchschlagsspannung auf einige Millionen Volt begrenzt, aber höhere Spannungen können durch Spulen erreicht werden, die in Drucktanks mit Isolieröl eingetaucht sind. ⓘ

Top-Load- oder "Toroid"-Elektrode

Festkörper-DRSSTC-Teslaspule mit spitzem Draht, der zur Erzeugung einer Büschelentladung am Toroid befestigt ist ⓘ

Die meisten Teslaspulen haben eine glatte, kugelförmige oder ringförmige Metallelektrode an der Hochspannungsklemme. Die Elektrode dient als eine Platte eines Kondensators, wobei die Erde die andere Platte ist, die den Schwingkreis mit der Sekundärwicklung bildet. Obwohl der "Toroid" die Sekundärkapazität erhöht, was die Spitzenspannung tendenziell verringert, besteht seine Hauptwirkung darin, dass seine gekrümmte Oberfläche mit großem Durchmesser das Potenzialgefälle (elektrisches Feld) an der Hochspannungsklemme verringert; er funktioniert ähnlich wie ein Koronaring und erhöht die Spannungsschwelle, bei der Luftentladungen wie Korona- und Büschelentladungen auftreten. Durch die Unterdrückung des vorzeitigen Luftdurchbruchs und des Energieverlusts kann sich die Spannung an den Spitzen der Wellenform auf höhere Werte aufbauen, wodurch längere, spektakulärere Luftschlangen entstehen, wenn es schließlich zu Luftentladungen kommt. ⓘ

Wenn die obere Elektrode groß und glatt genug ist, kann das elektrische Feld an ihrer Oberfläche selbst bei der Spitzenspannung nie hoch genug werden, um einen Luftdurchbruch zu verursachen, und es kommt nicht zu Luftentladungen. Einige Unterhaltungsspulen haben einen scharfen "Funkenpunkt", der aus dem Torus herausragt, um die Entladungen einzuleiten. ⓘ

Typen

Der Begriff "Teslaspule" wird für eine Reihe von Hochspannungs-Resonanztransformatorschaltungen verwendet. ⓘ

Erregung

Teslaspulenschaltungen können nach der Art der "Erregung" klassifiziert werden, d. h. danach, welche Art von Schaltung verwendet wird, um die Primärwicklung des Resonanztransformators mit Strom zu versorgen:

Funkenerregte oder Funkenstrecken-Tesla-Spule (SGTC): Bei diesem Typ wird eine Funkenstrecke zum Schließen des Primärkreises verwendet, wodurch der Resonanztransformator zu Schwingungen angeregt wird. Funkenstrecken haben aufgrund der hohen Primärströme, die sie verarbeiten müssen, Nachteile. Sie erzeugen während des Betriebs ein sehr lautes Geräusch, schädliches Ozongas und hohe Temperaturen, die ein Kühlsystem erforderlich machen können. Die Energie, die im Funken verloren geht, verringert auch den Q-Faktor und die Ausgangsspannung. Teslas Spulen waren alle funkenerregt.
- Statische Funkenstrecke: Dies ist der häufigste Typ, der im vorherigen Abschnitt ausführlich beschrieben wurde. Sie wird in den meisten Unterhaltungsspulen verwendet. Eine Wechselspannung von einem Hochspannungstransformator lädt einen Kondensator auf, der sich über die Funkenstrecke entlädt. Die Funkenrate ist nicht einstellbar, sondern wird durch die Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz bestimmt. In jeder Halbwelle können mehrere Funken auftreten, so dass die Impulse der Ausgangsspannung nicht unbedingt gleichmäßig verteilt sind.
- Statisch getriggerte Funkenstrecke: Gewerbliche und industrielle Schaltungen legen häufig eine Gleichspannung aus einer Stromversorgung an, um den Kondensator aufzuladen, und verwenden Hochspannungsimpulse, die von einem Oszillator erzeugt werden, der an eine Zündelektrode angelegt wird, um den Funken auszulösen. Dies ermöglicht die Steuerung der Funkenrate und der Erregerspannung. Handelsübliche Funkenstrecken sind häufig von einer isolierenden Gasatmosphäre wie Schwefelhexafluorid umgeben, was die Länge und damit den Energieverlust des Funkens verringert.
- Drehfunkenstrecke: Diese verwenden eine Funkenstrecke, die aus Elektroden am Umfang eines von einem Motor mit hoher Geschwindigkeit gedrehten Rades besteht, die Funken erzeugen, wenn sie an einer stationären Elektrode vorbeifahren. Tesla verwendete diesen Typ bei seinen großen Spulen, und sie werden auch heute noch bei großen Unterhaltungsspulen eingesetzt. Die rasche Trennungsgeschwindigkeit der Elektroden löscht den Funken schnell, so dass eine "First Notch"-Löschung möglich ist, die höhere Spannungen ermöglicht. Das Rad wird in der Regel von einem Synchronmotor angetrieben, so dass die Funken mit der Frequenz des Wechselstromnetzes synchronisiert sind und der Funke bei jedem Zyklus am gleichen Punkt der Wechselstromwellenform auftritt, so dass die Primärimpulse wiederholbar sind.
Geschaltete oder Solid-State-Tesla-Spule (SSTC): Diese verwenden Leistungshalbleiter, in der Regel Thyristoren oder Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs, die von einem Festkörperoszillatorschaltkreis angesteuert werden, um Spannungsimpulse von einer Gleichstromversorgung durch die Primärwicklung zu schalten. Sie bieten eine gepulste Erregung ohne die Nachteile einer Funkenstrecke: lautes Rauschen, hohe Temperaturen und schlechter Wirkungsgrad. Die Spannung, die Frequenz und die Erregungswellenform lassen sich sehr genau steuern. SSTCs werden in den meisten kommerziellen, industriellen und Forschungsanwendungen sowie als hochwertige Unterhaltungsspulen eingesetzt.
- Einzelne resonante Festkörper-Teslaspule (SRSSTC): Bei dieser Schaltung hat die Primärspule keinen Resonanzkondensator und ist daher kein doppelt abgestimmter Stromkreis; dies gilt nur für die Sekundärspule. Der Strom, der von den Schalttransistoren in die Primärspule fließt, regt die Resonanz im Sekundärkreis an. Einfach abgestimmte SSTCs sind einfacher, aber der Schwingkreis hat einen Gesamt-Q-Faktor, der nur vom sekundärseitigen Resonanzkreis abhängt.
- Doppelresonante Festkörper-Teslaspule (DRSSTC): Die Schaltung ähnelt der doppelt abgestimmten funkenerregten Schaltung, nur dass anstelle des Wechselstromversorgungstransformators (T) im Primärkreis ein Gleichstromnetzteil den Kondensator auflädt und anstelle der Funkenstrecke Halbleiterschalter den Stromkreis zwischen dem Kondensator und der Primärspule schließen.
- Singende Teslaspule oder musikalische Teslaspule: Hierbei handelt es sich nicht um eine gesonderte Erregungsart, sondern um eine Modifizierung des Festkörper-Primärkreises, um eine Teslaspule zu schaffen, die wie ein Musikinstrument gespielt werden kann, wobei die Hochspannungsentladungen einfache Musiktöne wiedergeben. Die an die Primärspule angelegten Steuerspannungsimpulse werden von einem Halbleiter-"Unterbrecher"-Schaltkreis mit einer Audiofrequenz moduliert, so dass die Bogenentladung an der Hochspannungsklemme Töne abgibt. Bisher wurden nur Töne und einfache Akkorde erzeugt; die Spule kann nicht als Lautsprecher fungieren, der komplexe Musik oder Sprachlaute wiedergibt. Die Tonausgabe wird über eine Tastatur oder eine MIDI-Datei gesteuert, die über eine MIDI-Schnittstelle an die Schaltung angelegt wird. Es wurden zwei Modulationstechniken verwendet: AM (Amplitudenmodulation der Erregerspannung) und PFM (Puls-Frequenz-Modulation). Diese werden hauptsächlich als Neuheiten zur Unterhaltung gebaut.
Kontinuierliche Welle: Hier wird der Transformator von einem rückgekoppelten Oszillator angetrieben, der bei jedem Zyklus des HF-Stroms einen Stromimpuls an die Primärwicklung abgibt und so eine Dauerschwingung anregt. Der primäre Abstimmkreis dient als Tankkreis des Oszillators, und die Schaltung ähnelt einem Radiosender. Im Gegensatz zu den vorherigen Schaltkreisen, die einen gepulsten Ausgang erzeugen, erzeugen sie einen kontinuierlichen Sinusausgang. Leistungsvakuumröhren werden häufig als aktive Bauelemente anstelle von Transistoren verwendet, da sie robuster und überlastungsresistenter sind. Im Allgemeinen erzeugt eine kontinuierliche Erregung niedrigere Ausgangsspannungen bei einer bestimmten Eingangsleistung als eine gepulste Erregung. ⓘ

Anzahl der Spulen

Tesla-Schaltkreise können auch nach der Anzahl der in ihnen enthaltenen Resonanzspulen (Induktoren) klassifiziert werden:

Zwei Spulen oder Doppelresonanzkreise: Praktisch alle heutigen Tesla-Spulen verwenden den von Tesla 1891 erfundenen Zwei-Spulen-Resonanztransformator, der aus einer Primärwicklung besteht, an die Stromimpulse angelegt werden, und einer Sekundärwicklung, die die Hochspannung erzeugt. Der Begriff "Tesla-Spule" bezieht sich normalerweise auf diese Schaltungen.
Dreifachspulen-, Dreifachresonanz- oder Vergrößerungsschaltungen: Dies sind Schaltungen mit drei Spulen, die auf Teslas "Vergrößerungssender"-Schaltung basieren, mit der er irgendwann vor 1898 zu experimentieren begann und die er 1899-1900 in seinem Labor in Colorado Springs installierte und 1902 patentieren ließ. Sie bestehen aus einem Luftspulen-Aufwärtstransformator mit zwei Spulen, ähnlich dem Tesla-Transformator, wobei die Sekundärseite mit einer dritten Spule verbunden ist, die nicht magnetisch mit den anderen gekoppelt ist, der so genannten "Extra"- oder "Resonator"-Spule, die in Reihe geschaltet ist und mit ihrer eigenen Kapazität in Resonanz schwingt. Der Ausgang wird vom freien Ende dieser Spule abgenommen. Das Vorhandensein von drei energiespeichernden Tankkreisen verleiht diesem Kreis ein komplizierteres Resonanzverhalten. Er ist Gegenstand von Forschungsarbeiten, wurde aber bisher nur in wenigen praktischen Anwendungen eingesetzt. ⓘ

Geschichte

Henry Rowlands funkenerregter Resonanztransformator von 1889, ein Vorläufer der Tesla-Spule.

Schritte in Teslas Entwicklung des Tesla-Transformators um 1891. (1) Transformatoren mit geschlossenem Kern, die bei niedrigen Frequenzen verwendet werden, (2-7) Neuanordnung der Wicklungen für geringere Verluste, (8) entfernter Eisenkern, (9) Teilkern, (10-11) endgültiger konischer Tesla-Transformator, (12-13) Tesla-Spulenschaltungen und Elihu Thomson ⓘ

Elektrische Schwingungen und Resonanzkreise für Luft-Kern-Transformatoren wurden schon vor Tesla erforscht. Resonanzkreise mit Leydener Gläsern wurden ab 1826 von Felix Savary, Joseph Henry, William Thomson und Oliver Lodge erfunden, und Henry Rowland baute 1889 einen Resonanztransformator. Elihu Thomson erfand den Tesla-Spulenkreis unabhängig zur gleichen Zeit wie Tesla. Tesla patentierte seinen Tesla-Spulenkreis am 25. April 1891 und demonstrierte ihn erstmals öffentlich am 20. Mai 1891 in seinem Vortrag "Experiments with Alternate Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination" vor dem American Institute of Electrical Engineers am Columbia College, New York. Obwohl Tesla in dieser Zeit viele ähnliche Schaltungen patentieren ließ, war dies die erste, die alle Elemente der Tesla-Spule enthielt: Hochspannungs-Primärtransformator, Kondensator, Funkenstrecke und Luftkern-"Oszillationstransformator". ⓘ

Das Ziel von Nikola Tesla war es, elektrische Energie drahtlos zu übertragen. Dazu eignet sich der Tesla-Transformator jedoch nur begrenzt – er erzeugt zwar elektromagnetische Wellen; jedoch können diese in einem Empfangskreis nur in geringer Entfernung und nur zum Teil zurückgewonnen werden. Der 1901 zu diesem Zweck gebaute Wardenclyffe Tower auf Long Island in den USA wurde wegen Geldmangels 1917 wieder abgerissen. ⓘ

Teslatransformatoren in der hier beschriebenen Form dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung hoher hochfrequenter elektrischer Wechselspannungen. ⓘ

Heutige Teslaspulen

Elektrische Entladung mit den blitzartigen Plasmafäden einer "Teslaspule ⓘ

Tesla-Spule (Entladung) ⓘ

Teslaspule im Terrarium (I) ⓘ

Moderne Hochspannungsenthusiasten bauen in der Regel Teslaspulen, die einigen von Teslas "späteren" 2-Spulen-Luftkernkonstruktionen ähneln. Diese bestehen in der Regel aus einem primären Tankkreis, einem LC-Reihenschaltkreis (Induktivität-Kapazität), der sich aus einem Hochspannungskondensator, einer Funkenstrecke und einer Primärspule zusammensetzt, und dem sekundären LC-Schaltkreis, einem Reihenschwingkreis, der aus der Sekundärspule und einer Anschlusskapazität oder "Spitzenlast" besteht. In Teslas fortschrittlicherem (Vergrößerungs-)Entwurf wird eine dritte Spule hinzugefügt. Der LC-Sekundärkreis besteht aus einer eng gekoppelten Luftspulen-Transformator-Sekundärspule, die den Boden eines separaten Spiralresonators der dritten Spule antreibt. Moderne 2-Spulen-Systeme verwenden eine einzige Sekundärspule. Der obere Teil der Sekundärspule ist dann mit einem Topload-Anschluss verbunden, der eine "Platte" eines Kondensators bildet, während die andere "Platte" die Erde (oder "Masse") ist. Der LC-Primärkreis ist so abgestimmt, dass er mit der gleichen Frequenz wie der LC-Sekundärkreis schwingt. Die Primär- und Sekundärspulen sind magnetisch gekoppelt, wodurch ein doppelt abgestimmter resonanter Luftkerntransformator entsteht. Frühere ölisolierte Teslaspulen benötigten große und lange Isolatoren an ihren Hochspannungsanschlüssen, um eine Entladung in der Luft zu verhindern. Spätere Teslaspulen verbreiteten ihre elektrischen Felder über größere Entfernungen, um hohe elektrische Spannungen von vornherein zu vermeiden und so den Betrieb in freier Luft zu ermöglichen. Die meisten modernen Teslaspulen verwenden auch toroidförmige Ausgangsanschlüsse. Diese werden oft aus gesponnenem Metall oder flexiblen Aluminiumrohren hergestellt. Die Torusform hilft, das hohe elektrische Feld in der Nähe der Spitze der Sekundärwicklung zu kontrollieren, indem sie die Funken nach außen und weg von den Primär- und Sekundärwicklungen lenkt. ⓘ

Eine komplexere Version einer Teslaspule, von Tesla als "Magnifier" bezeichnet, verwendet einen enger gekoppelten Luftkern-Resonanz-"Treiber"-Transformator (oder "Hauptoszillator") und eine kleinere, entfernt liegende Ausgangsspule (als "Zusatzspule" oder einfach als Resonator bezeichnet), die eine große Anzahl von Windungen auf einer relativ kleinen Spulenform aufweist. Der untere Teil der Sekundärwicklung des Treibers ist mit Masse verbunden. Das gegenüberliegende Ende ist über einen isolierten Leiter, der manchmal auch als Übertragungsleitung bezeichnet wird, mit der Unterseite der Zusatzspule verbunden. Da die Übertragungsleitung mit relativ hohen HF-Spannungen arbeitet, besteht sie in der Regel aus Metallrohren mit einem Durchmesser von 1", um Koronaverluste zu verringern. Da sich die dritte Spule in einiger Entfernung vom Treiber befindet, ist sie nicht magnetisch mit diesem gekoppelt. Die HF-Energie wird stattdessen direkt vom Ausgang des Treibers in die Unterseite der dritten Spule eingekoppelt, wodurch diese auf sehr hohe Spannungen "hochgezogen" wird. Die Kombination aus dem Treiber mit zwei Spulen und dem Resonator mit der dritten Spule fügt dem System einen weiteren Freiheitsgrad hinzu, wodurch die Abstimmung wesentlich komplexer wird als bei einem System mit zwei Spulen. Das Einschwingverhalten von Mehrfachresonanznetzen (von denen die Tesla-Lupe eine Untergruppe ist) wurde erst kürzlich gelöst. Es ist nun bekannt, dass eine Vielzahl nützlicher Abstimmungs-"Modi" zur Verfügung stehen, und in den meisten Betriebsarten wird die zusätzliche Spule auf einer anderen Frequenz als der Hauptoszillator schwingen. ⓘ

Primäre Umschaltung

Vorführung des Prototyps der Zwillings-Tesla-Spule des Nevada Lightning Laboratory im Maßstab 1:12 auf der Maker Faire 2008 ⓘ

Moderne Transistor- oder Vakuumröhren-Teslaspulen verwenden keine Primärfunkenstrecke. Stattdessen übernehmen Transistor(en) oder Vakuumröhre(n) die Schalt- oder Verstärkungsfunktion, die zur Erzeugung der HF-Leistung für den Primärkreis erforderlich ist. Festkörper-Teslaspulen verwenden die niedrigste primäre Betriebsspannung, in der Regel zwischen 155 und 800 Volt, und treiben die Primärwicklung entweder mit einer Einzel-, Halb- oder Vollbrückenanordnung von Bipolartransistoren, MOSFETs oder IGBTs an, um den Primärstrom zu schalten. Vakuumröhrenspulen arbeiten in der Regel mit Plattenspannungen zwischen 1500 und 6000 Volt, während die meisten Funkenstrecken-Spulen mit Primärspannungen von 6000 bis 25 000 Volt arbeiten. Die Primärwicklung einer herkömmlichen Transistor-Tesla-Spule ist nur um den unteren Teil der Sekundärspule gewickelt. Diese Konfiguration veranschaulicht den Betrieb der Sekundärspule als gepumpten Resonator. Die Primärspule "induziert" eine Wechselspannung in den untersten Teil der Sekundärspule und sorgt so für regelmäßige "Stöße" (ähnlich wie bei einer Schaukel auf dem Spielplatz, die im richtigen Moment angestoßen wird). Bei jedem "Stoß" wird zusätzliche Energie von der Primärseite auf die Sekundärinduktivität und die Spitzenlastkapazität übertragen, und die Ausgangsspannung der Sekundärseite steigt an (als "Ring-up" bezeichnet). Ein elektronischer Rückkopplungskreis wird in der Regel verwendet, um den Primäroszillator adaptiv mit der wachsenden Resonanz im Sekundärkreis zu synchronisieren, und dies ist die einzige Abstimmungsüberlegung, die über die anfängliche Wahl einer angemessenen Spitzenlast hinausgeht. ⓘ

In einer Tesla-Doppelresonanzspule (DRSSTC) wird die elektronische Schaltung der Tesla-Doppelresonanzspule mit dem Primärresonanzkreis einer Teslaspule mit Funkenstrecke kombiniert. Der Primärschwingkreis wird gebildet, indem ein Kondensator in Reihe mit der Primärwicklung der Spule geschaltet wird, so dass die Kombination einen Serienschwingkreis mit einer Resonanzfrequenz nahe der des Sekundärkreises bildet. Aufgrund des zusätzlichen Resonanzkreises sind eine manuelle und eine adaptive Abstimmung erforderlich. Außerdem wird in der Regel ein Unterbrecher verwendet, um das Tastverhältnis der Schaltbrücke zu verringern und so die Spitzenleistung zu verbessern; auch sind IGBTs in dieser Anwendung aufgrund ihrer besseren Leistungseigenschaften beliebter als bipolare Transistoren oder MOSFETs. In der Regel wird eine Strombegrenzungsschaltung verwendet, um den maximalen Strom im Primärtank (der von den IGBTs geschaltet werden muss) auf einen sicheren Wert zu begrenzen. Die Leistung eines DRSSTC kann mit einer Teslaspule mittlerer Leistung vergleichbar sein, und der Wirkungsgrad (gemessen an der Funkenlänge im Verhältnis zur Eingangsleistung) kann deutlich höher sein als der einer Teslaspule mit Funkenstrecke, die mit der gleichen Eingangsleistung betrieben wird. ⓘ

Praktische Aspekte der Konstruktion

Herstellung von Hochspannung

Schematische Darstellung der Tesla-Spule

Typische Schaltungskonfiguration. Hier schließt die Funkenstrecke die Hochfrequenz über den ersten Transformator kurz, der mit Wechselstrom versorgt wird. Eine nicht dargestellte Induktivität schützt den Transformator. Diese Schaltung wird bevorzugt, wenn ein relativ zerbrechlicher Leuchtreklametransformator verwendet wird.

Alternative Schaltungskonfiguration. Mit dem Kondensator parallel zum ersten Transformator und der Funkenstrecke in Reihe zur Teslaspule muss der Wechselstromversorgungstransformator in der Lage sein, hohen Spannungen bei hohen Frequenzen standzuhalten ⓘ

Eine große Teslaspule modernerer Bauart arbeitet oft mit sehr hohen Spitzenleistungen, bis zu vielen Megawatt (Millionen Watt, entspricht Tausenden von Pferdestärken). Sie wird daher sorgfältig eingestellt und betrieben, nicht nur aus Gründen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit, sondern auch aus Sicherheitsgründen. Wenn aufgrund einer unsachgemäßen Einstellung der maximale Spannungspunkt unterhalb der Klemme entlang der Sekundärspule auftritt, kann eine Entladung (Funke) ausbrechen und den Spulendraht, die Halterungen oder nahe gelegene Gegenstände beschädigen oder zerstören. ⓘ

Tesla experimentierte mit diesen und vielen anderen Schaltungskonfigurationen (siehe rechts). Die Primärwicklung der Teslaspule, die Funkenstrecke und der Tankkondensator sind in Reihe geschaltet. In jeder Schaltung lädt der Wechselstromversorgungstransformator den Tankkondensator auf, bis seine Spannung ausreicht, um die Funkenstrecke zu durchbrechen. Die Funkenstrecke brennt plötzlich durch, wodurch sich der geladene Tankkondensator in die Primärwicklung entladen kann. Sobald die Funkenstrecke brennt, ist das elektrische Verhalten der beiden Schaltungen identisch. Experimente haben gezeigt, dass keine der beiden Schaltungen einen deutlichen Leistungsvorteil gegenüber der anderen bietet. ⓘ

In der typischen Schaltung verhindert jedoch die Kurzschlusswirkung der Funkenstrecke, dass hochfrequente Schwingungen in den Versorgungstransformator "zurückfließen". Bei der alternativen Schaltung werden hochamplitudige Hochfrequenzschwingungen, die über den Kondensator auftreten, auch auf die Wicklung des Speisetransformators übertragen. Dies kann zu Koronaentladungen zwischen den Windungen führen, die die Isolierung des Transformators schwächen und schließlich zerstören. Erfahrene Teslaspulenbauer verwenden fast ausschließlich die obere Schaltung und ergänzen sie oft mit Tiefpassfiltern (Widerstands- und Kondensatornetzwerke (RC)) zwischen dem Versorgungstransformator und der Funkenstrecke, um den Versorgungstransformator zu schützen. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von Transformatoren mit empfindlichen Hochspannungswicklungen, wie z. B. bei Leuchtreklametransformatoren (NSTs). Unabhängig von der verwendeten Konfiguration muss der Hochspannungstransformator so beschaffen sein, dass sein Sekundärstrom durch eine interne Kurzschlussinduktivität selbst begrenzt wird. Ein normaler Hochspannungstransformator (mit geringer Kurzschlussinduktivität) muss zur Strombegrenzung einen externen Begrenzer (manchmal auch Ballast genannt) verwenden. NSTs sind so konstruiert, dass sie eine hohe Kurzschlussinduktivität haben, um ihren Kurzschlussstrom auf ein sicheres Niveau zu begrenzen. ⓘ

Abstimmung

Die Resonanzfrequenz der Primärspule wird auf die der Sekundärspule abgestimmt, indem zunächst Schwingungen mit geringer Leistung erzeugt werden und dann die Leistung erhöht wird (und gegebenenfalls eine erneute Abstimmung erfolgt), bis das System bei maximaler Leistung ordnungsgemäß funktioniert. Während der Abstimmung wird häufig ein kleiner Vorsprung (ein so genannter "Breakout Bump") am oberen Anschluss angebracht, um Korona- und Funkenentladungen (manchmal auch Streamer genannt) in die Umgebungsluft zu stimulieren. Die Abstimmung kann dann so vorgenommen werden, dass bei einer bestimmten Leistung die längsten Funkenströme entstehen, was einer Frequenzübereinstimmung zwischen Primär- und Sekundärspule entspricht. Die kapazitive "Belastung" durch die Streamer senkt die Resonanzfrequenz einer Teslaspule, die mit voller Leistung betrieben wird, tendenziell ab. Eine toroidale Topload wird oft anderen Formen, wie z. B. einer Kugel, vorgezogen. Ein Toroid mit einem Hauptdurchmesser, der viel größer ist als der Sekundärdurchmesser, sorgt für eine bessere Formung des elektrischen Feldes an der Topload. Dies bietet einen besseren Schutz der Sekundärwicklung (vor schädlichen Streamer-Schlägen) als eine Kugel mit ähnlichem Durchmesser. Außerdem ermöglicht ein Ringkernwandler eine relativ unabhängige Steuerung der Topload-Kapazität in Abhängigkeit von der Funkenlöschspannung. Die Kapazität eines Toroids ist hauptsächlich eine Funktion seines großen Durchmessers, während die Funkenausbruchsspannung hauptsächlich eine Funktion seines kleinen Durchmessers ist. Ein Gitter-Dip-Oszillator (GDO) wird manchmal verwendet, um die anfängliche Abstimmung zu erleichtern und bei der Konstruktion zu helfen. Die Resonanzfrequenz der Sekundärseite lässt sich nur schwer bestimmen, es sei denn, man verwendet einen GDO oder eine andere experimentelle Methode, während die physikalischen Eigenschaften der Primärseite eher den pauschalen Näherungen der HF-Tankkonstruktion entsprechen. In diesem Schema wird die Sekundärseite in Anlehnung an andere erfolgreiche Konstruktionen etwas willkürlich oder mit den vorhandenen Hilfsmitteln ganz so gebaut, ihre Resonanzfrequenz gemessen und die Primärseite entsprechend ausgelegt. ⓘ

Luftentladungen

Eine kleine Teslaspule neueren Typs in Betrieb: Der Ausgang erzeugt 43 Zentimeter lange Funken. Der Durchmesser der Sekundärspule beträgt 8 cm (3,1 in). Die Stromquelle ist eine strombegrenzte Versorgung mit 10 000 V, 60 Hz. ⓘ

In Spulen, die Luftentladungen erzeugen, wie z. B. in Unterhaltungsgeräten, wird die elektrische Energie aus der Sekundärwicklung und dem Ringkern in Form von elektrischer Ladung, Wärme, Licht und Schall auf die umgebende Luft übertragen. Der Vorgang ähnelt dem Laden oder Entladen eines Kondensators, nur dass eine Teslaspule mit Wechselstrom statt mit Gleichstrom arbeitet. Der Strom, der durch die Verschiebung von Ladungen innerhalb eines Kondensators entsteht, wird als Verschiebungsstrom bezeichnet. Teslaspulenentladungen entstehen durch Verdrängungsströme, da elektrische Ladungsimpulse schnell zwischen dem Hochspannungstoroid und nahe gelegenen Regionen in der Luft (den so genannten Raumladungsregionen) übertragen werden. Obwohl die Raumladungsbereiche um den Toroid herum unsichtbar sind, spielen sie eine wichtige Rolle für das Auftreten und den Ort von Teslaspulenentladungen. ⓘ

Wenn die Funkenstrecke zündet, entlädt sich der geladene Kondensator in die Primärwicklung, wodurch der Primärstromkreis zum Schwingen gebracht wird. Der oszillierende Primärstrom erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld, das in die Sekundärwicklung einkoppelt, Energie auf die Sekundärseite des Transformators überträgt und diese mit der Kapazität des Toroids gegen Erde oszillieren lässt. Die Energieübertragung erfolgt über eine Reihe von Zyklen, bis der größte Teil der Energie, die sich ursprünglich auf der Primärseite befand, auf die Sekundärseite übertragen wurde. Je größer die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen ist, desto kürzer ist die für die Energieübertragung erforderliche Zeit. Wenn sich die Energie im oszillierenden Sekundärkreis aufbaut, steigt die Amplitude der HF-Spannung des Ringkernwandlers rasch an, und die Luft, die den Ringkernwandler umgibt, beginnt einen dielektrischen Durchschlag zu erleiden, wodurch eine Koronaentladung entsteht. ⓘ

Wenn die Energie der Sekundärspule (und die Ausgangsspannung) weiter ansteigt, wird die Luft am Punkt des anfänglichen Durchschlags durch größere Impulse des Verschiebungsstroms weiter ionisiert und erhitzt. Dadurch bildet sich eine elektrisch sehr leitfähige "Wurzel" aus heißerem Plasma, die so genannte Leader, die vom Toroid nach außen ragt. Das Plasma innerhalb des Leaders ist wesentlich heißer als eine Koronaentladung und wesentlich leitfähiger. Seine Eigenschaften ähneln sogar einem Lichtbogen. Der Vorlauf verjüngt sich und verzweigt sich in Tausende von dünneren, kühleren, haarähnlichen Entladungen (sogenannte Streamer). Die Streamer sehen aus wie ein bläulicher "Dunst" an den Enden der leuchtenderen Leiter. Die Streamer übertragen Ladung zwischen den Leitern und dem Toroid auf nahe gelegene Raumladungsgebiete. Die Verdrängungsströme der unzähligen Streamer fließen alle in den Leiter und tragen dazu bei, dass dieser heiß und elektrisch leitfähig bleibt. ⓘ

Die primäre Unterbrechungsrate von funkensprühenden Teslaspulen ist im Vergleich zur Resonanzfrequenz der Resonator-Spannungs-Baugruppe langsam. Wenn sich der Schalter schließt, wird Energie vom LC-Primärkreis auf den Resonator übertragen, wo die Spannung über einen kurzen Zeitraum hinweg ansteigt und schließlich in der elektrischen Entladung gipfelt. In einer Teslaspule mit Funkenstrecke erfolgt die Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärseite wiederholt mit einer typischen Pulsrate von 50-500 Mal pro Sekunde, abhängig von der Frequenz der Eingangsspannung. Bei diesen Geschwindigkeiten haben die zuvor gebildeten Leader-Kanäle keine Gelegenheit, sich zwischen den Impulsen vollständig abzukühlen. Daher können sich bei aufeinanderfolgenden Impulsen neue Entladungen auf den von ihren Vorgängern hinterlassenen heißen Pfaden aufbauen. Dies führt zu einem schrittweisen Wachstum des Vorspanns von einem Puls zum nächsten, wodurch die gesamte Entladung bei jedem aufeinanderfolgenden Puls verlängert wird. Durch wiederholtes Pulsieren wachsen die Entladungen, bis die durchschnittliche Energie, die von der Teslaspule während jedes Pulses zur Verfügung steht, die durchschnittliche Energie, die in den Entladungen verloren geht (meist als Wärme), ausgleicht. An diesem Punkt ist das dynamische Gleichgewicht erreicht, und die Entladungen haben ihre maximale Länge für die Ausgangsleistung der Teslaspule erreicht. Die einzigartige Kombination aus einer ansteigenden Hochspannungs-Hochfrequenz-Hüllkurve und einem sich wiederholenden Pulsieren scheint ideal geeignet zu sein, um lange, sich verzweigende Entladungen zu erzeugen, die wesentlich länger sind, als man allein aufgrund der Ausgangsspannung erwarten würde. Entladungen mit hoher Spannung und niedriger Energie erzeugen fadenförmige, mehrfach verzweigte Entladungen, die eine violettblaue Farbe haben. Hochspannungs-Entladungen mit hoher Energie erzeugen dickere Entladungen mit weniger Verzweigungen, sind blass und leuchtend, fast weiß, und sind aufgrund der verstärkten Ionisierung viel länger als Entladungen mit niedriger Energie. In der Umgebung entsteht ein starker Geruch von Ozon und Stickoxiden. Die wichtigsten Faktoren für die maximale Entladungslänge scheinen Spannung, Energie und ruhige Luft mit geringer bis mäßiger Feuchtigkeit zu sein. Es gibt vergleichsweise wenige wissenschaftliche Studien über die Entstehung und das Wachstum von gepulsten niederfrequenten HF-Entladungen, so dass einige Aspekte von Teslaspulen-Luftentladungen im Vergleich zu Gleichstrom-, Hochfrequenz-Wechselstrom-, Hochspannungsimpuls- und Blitzentladungen nicht so gut verstanden werden. ⓘ

Anwendungen

Heutzutage werden kleine Teslaspulen zwar als Lecksucher in wissenschaftlichen Hochvakuumsystemen und als Zünder in Lichtbogenschweißgeräten verwendet, doch ihr Haupteinsatzgebiet ist die Unterhaltung und Bildung. ⓘ

Bildung und Unterhaltung

Electrum-Skulptur, die größte Tesla-Spule der Welt. Man sieht den Erbauer Eric Orr im Inneren der hohlen, kugelförmigen Hochspannungselektrode sitzen ⓘ

Teslaspulen werden als Attraktionen in Wissenschaftsmuseen und auf Elektronikmessen ausgestellt und zur Demonstration der Grundsätze der Hochfrequenzelektrizität im naturwissenschaftlichen Unterricht an Schulen und Hochschulen verwendet. ⓘ

Da sie so einfach sind, dass sie auch von Amateuren hergestellt werden können, sind Teslaspulen ein beliebtes Projekt auf Wissenschaftsmessen und werden von einer großen weltweiten Gemeinschaft von Bastlern selbst hergestellt. Die Erbauer von Teslaspulen als Hobby werden "Coiler" genannt. Sie nehmen an "Spulenkongressen" teil, auf denen sie ihre selbstgebauten Teslaspulen und andere Hochspannungsgeräte ausstellen. Teslaspulen mit geringer Leistung werden manchmal auch als Hochspannungsquelle für die Kirlianfotografie verwendet. ⓘ

Die derzeit größte Teslaspule der Welt ist eine von Greg Leyh und Eric Orr gebaute 130.000-Watt-Einheit, die Teil einer 12 m hohen Skulptur mit dem Titel Electrum ist, die Alan Gibbs gehört und derzeit in einem privaten Skulpturenpark am Kakanui Point in der Nähe von Auckland, Neuseeland, steht. Eine weitere sehr große Teslaspule, die von Syd Klinge entworfen und gebaut wurde, wird jedes Jahr auf dem Coachella Valley Music and Arts Festival in Coachella, Kalifornien, gezeigt. ⓘ

Teslaspulen können auch zur Erzeugung von Klängen, einschließlich Musik, verwendet werden, indem die effektive "Break-Rate" des Systems (d. h. die Rate und Dauer der Hochleistungs-HF-Bursts) über MIDI-Daten und eine Steuereinheit moduliert wird. Die eigentlichen MIDI-Daten werden von einem Mikrocontroller interpretiert, der die MIDI-Daten in eine PWM-Ausgabe umwandelt, die über eine Glasfaserschnittstelle an die Tesla-Spule gesendet werden kann.Ein ausgedehntes Musikkonzert im Freien hat den Einsatz von Tesla-Spulen während des Engineering Open House (EOH) an der University of Illinois in Urbana-Champaign demonstriert. Die isländische Künstlerin Björk verwendete in ihrem Lied "Thunderbolt" eine Teslaspule als Hauptinstrument des Liedes. Die Musikgruppe ArcAttack verwendet modulierte Teslaspulen und einen Mann in einem Kettenhemd, um Musik zu machen. ⓘ

Leckdetektoren für Vakuumsysteme

Wissenschaftler, die mit Hochvakuumsystemen arbeiten, testen das Vorhandensein von winzigen Nadellöchern in der Apparatur (insbesondere in einer frisch geblasenen Glasware) mit Hilfe von Hochspannungsentladungen, die von einer kleinen handgehaltenen Teslaspule erzeugt werden. Wenn das System evakuiert wird, wird die Hochspannungselektrode der Spule über die Außenseite der Apparatur geführt. Bei niedrigem Druck lässt sich Luft leichter ionisieren und leitet daher Elektrizität besser als Luft bei atmosphärischem Druck. Daher wandert die Entladung durch jedes Stiftloch, das sich unmittelbar darunter befindet, und erzeugt eine Koronaentladung im evakuierten Raum, die das Loch beleuchtet und Punkte anzeigt, die geglüht oder neu geblasen werden müssen, bevor sie in einem Experiment verwendet werden können. ⓘ

Teslaphorese

Im Jahr 2016 nutzten Wissenschaftler der Rice University das Feld einer Teslaspule, um winzige Kohlenstoffnanoröhrchen aus der Ferne in einem Schaltkreis auszurichten, ein Prozess, den sie "Teslaphorese" nannten. ⓘ

Gesundheitliche Probleme

Die Hochspannungs-Entladungen vom Ausgang einer Tesla-Spule stellen eine einzigartige Gefahr dar, die bei anderen Hochspannungsgeräten nicht gegeben ist: Wenn sie durch den Körper geleitet werden, verursachen sie oft nicht das schmerzhafte Gefühl und die Muskelkontraktion eines elektrischen Schocks, wie dies bei niederfrequenten Wechsel- oder Gleichströmen der Fall ist. Das Nervensystem ist unempfindlich gegenüber Strömen mit Frequenzen über 10-20 kHz. Man nimmt an, dass der Grund dafür darin liegt, dass eine bestimmte Mindestanzahl von Ionen durch die angelegte Spannung durch die Membran einer Nervenzelle getrieben werden muss, damit die Nervenzelle sich depolarisiert und einen Impuls aussendet. Bei Radiofrequenzen reicht die Zeit während eines Halbzyklus nicht aus, um genügend Ionen durch die Membran zu treiben, bevor sich die Wechselspannung umkehrt. Da kein Schmerz empfunden wird, gehen Experimentatoren oft davon aus, dass die Ströme harmlos sind. Lehrer und Bastler, die kleine Teslaspulen vorführen, beeindrucken ihr Publikum oft, indem sie die Hochspannungsklemme berühren oder die Lichtbögen durch ihren Körper fließen lassen. ⓘ

Wenn die Lichtbögen der Hochspannungsklemme auf die nackte Haut treffen, können sie tief sitzende Verbrennungen, so genannte HF-Verbrennungen, verursachen. Dies wird oft vermieden, indem man die Lichtbögen stattdessen auf ein in der Hand gehaltenes Metallstück oder einen Fingerhut am Finger treffen lässt. Der Strom fließt vom Metall über eine ausreichend große Fläche in die Hand der Person, um Verbrennungen zu vermeiden. Oft ist kein Gefühl zu spüren, sondern nur ein Wärmegefühl oder Kribbeln. ⓘ

Das bedeutet jedoch nicht, dass der Strom harmlos ist. Selbst eine kleine Teslaspule erzeugt ein Vielfaches der elektrischen Energie, die notwendig ist, um das Herz anzuhalten, wenn die Frequenz niedrig genug ist, um Kammerflimmern zu verursachen. Eine kleine Fehleinstellung der Spule kann zu einem Stromschlag führen. Außerdem erwärmt der HF-Strom das Gewebe, durch das er fließt. Sorgfältig kontrollierte Teslaspulenströme, die mit Hilfe von Elektroden direkt auf die Haut aufgebracht werden, wurden Anfang des 20. Jahrhunderts zur Erwärmung des Gewebes im Bereich der Langwellendiathermie eingesetzt. Die Stärke der Erwärmung hängt von der Stromdichte ab, die wiederum von der Ausgangsleistung der Teslaspule und der Querschnittsfläche des Weges abhängt, den der Strom durch den Körper zur Erde nimmt. Insbesondere wenn der Strom durch enge Strukturen wie Blutgefäße oder Gelenke fließt, kann er die lokale Gewebetemperatur auf hyperthermische Werte ansteigen lassen und so innere Organe "kochen" oder andere Verletzungen verursachen. Die internationalen ICNIRP-Sicherheitsstandards für HF-Strom im Körper im Tesla-Spulen-Frequenzbereich von 0,1 - 1 MHz legen eine maximale Stromdichte von 0,2 mA pro Quadratzentimeter und eine maximale Leistungsabsorptionsrate (SAR) im Gewebe von 4 W/kg in den Gliedmaßen und 0,8 W/kg im Durchschnitt des Körpers fest. Selbst Teslaspulen mit geringer Leistung können diese Grenzwerte überschreiten, und es ist im Allgemeinen unmöglich, den Schwellenstrom zu bestimmen, bei dem Körperverletzungen beginnen. Wenn man von Lichtbögen einer Teslaspule mit hoher Leistung (> 1000 Watt) getroffen wird, kann das tödlich sein. ⓘ

Eine weitere Gefahr dieser Praxis besteht darin, dass Lichtbögen von der Hochspannungsklemme häufig in die Primärwicklung der Spule einschlagen. Dadurch wird vorübergehend ein leitender Pfad für den tödlichen 50/60-Hz-Primärstrom aus dem Versorgungstransformator geschaffen, der die Ausgangsklemme erreicht. Wenn eine Person zu diesem Zeitpunkt mit der Ausgangsklemme verbunden ist, indem sie sie berührt oder zulässt, dass Lichtbögen von der Klemme auf den Körper der Person treffen, kann der hohe Primärstrom über den leitfähigen Pfad der ionisierten Luft durch den Körper zur Erde fließen und einen Stromschlag verursachen. ⓘ

Schauexperimente mit Tesla-Transformatoren ⓘ

Tesla-Transformator mit Leuchtröhre ⓘ

Mit Teslatransformatoren können in Schauexperimenten eindrucksvoll eine Reihe physikalischer Zusammenhänge demonstriert werden. Sie werden in der Lehre und in Shows eingesetzt. ⓘ

Da Teslatransformatoren nicht wie übliche Prüftransformatoren gekapselt und ohne Transformatorenöl ausgeführt werden und nur durch die umgebende Luft isoliert sind, kommt es durch die hohen elektrischen Randfeldstärken an exponierten Stellen zu Koronaentladungen (Büschelentladungen oder streamern). Dort wird Luft ionisiert und gelangt in den Plasmazustand. Es entstehen freie Radikale, Ozon und in der Folge Stickoxide. Durch die thermische Ausdehnung entstehen charakteristische Geräusche. Die hohe Temperatur der streamer reicht aus, um brennbare Gegenstände zu entzünden. ⓘ

Nähert man sich mit einer Leuchtstofflampe oder anderen Gasentladungslampen den Hochspannungsteilen, leuchten die Gasentladungslampen, ohne elektrisch angeschlossen zu sein. Dies ist eine Folge des Verschiebungsstromes. Ein ähnlicher Effekt tritt auch unter Freileitungen auf, welche mit Höchstspannung betrieben werden, und besonders in Dunkelheit beobachtet werden kann. Nikola Tesla benutzte diesen Effekt, welcher vor allem bei Laien erstaunte Reaktionen hervorruft, in seinen Schauvorführungen wie den Columbia Lecture in New York im Mai 1891. Er benutzte damals Geißlerröhren. ⓘ

Plasmaentladungen ähnlich wie in einer Plasmalampe entstehen auch im Füllgas großer Glühlampen, deren Stromanschluss man dafür der Spitze des Teslatrafos so weit nähert, dass Funken überspringen. Man kann sie dabei meist gefahrlos am Glaskolben anfassen, wenn man einen genügenden Abstand zu den Anschlüssen einhält und die verwendete Anlage eine nicht zu große elektrische Leistung besitzt. Oft fluoreszieren Bestandteile des Glaskolbens, angeregt durch die Ultraviolett-Strahlung des Plasmas. ⓘ

Hochfrequente Ströme (unter anderem die eines Teslatrafos) können bis zu einem gewissen Grad schmerzfrei durch den menschlichen Körper fließen, da die Schmerzreaktion auf Ionenleitung beruht und diese dem Wechselfeld nicht ausreichend schnell folgen kann. Stromfluss durch den Körper findet bereits ohne elektrischen Kontakt statt, denn ein neben der Anlage auf der Erde stehender Mensch hat gegenüber dieser eine elektrische Kapazität von einigen 10 pF, die durch die Wechselspannung des Teslatrafos ständig umgeladen wird. Die ohne thermische Schädigung erträgliche Stromstärke kann eine zwischen Körper und Tesla-Transformator geschaltete 100-mA-Glühlampe zum Leuchten bringen. Die Kontaktierung zur Haut muss bei solchen Experimenten großflächig sein, ansonsten können schmerzhafte punktuelle Verbrennungen entstehen. Der Mensch darf allerdings niemals eine direkte Verbindung zwischen der Erde und dem Topload, oder zwischen den Klemmen bei einem bipolaren Teslatrafo, darstellen, weil der Teslatrafo so verstimmt wird, dass die Resonanzfrequenz zu niedrig werden kann. Außerdem kann eine Verbindung zum Netzteil entstehen und somit würden 50-Hz-Ströme durch den Körper fließen. Daher werden solche Experimente meistens nur im Feld des Tesla-Transformators mit galvanischer Trennung (siehe Kapazitive Kopplung) durchgeführt. ⓘ

Die Koronaentladung an Spitzen erzeugt einen Ionenwind. ⓘ

Mythos des Hauteffekts

Eine falsche Erklärung für das Ausbleiben von Stromschlägen, die sich unter Teslaspulen-Bastlern hartnäckig hält, ist, dass die hochfrequenten Ströme aufgrund eines elektromagnetischen Phänomens, das als Hauteffekt bezeichnet wird, nahe der Oberfläche durch den Körper fließen und daher nicht zu lebenswichtigen Organen oder Nerven vordringen. ⓘ

Diese Theorie ist falsch. Der HF-Strom neigt aufgrund des Skin-Effekts dazu, an der Oberfläche von Leitern zu fließen, aber die Tiefe, bis zu der er eindringt, die sogenannte Skin-Tiefe, hängt vom spezifischen Widerstand und der Permeabilität des Materials sowie von der Frequenz ab. Obwohl der Skineffekt die Ströme der Teslaspulenfrequenzen in Metallleitern auf den äußeren Bruchteil eines Millimeters begrenzt, ist die Eindringtiefe des Stroms in Körpergewebe aufgrund seines höheren Widerstandes viel größer. Die Eindringtiefe von Strömen mit Tesla-Frequenz (0,1 - 1 MHz) in menschliches Gewebe liegt bei etwa 24 bis 72 Zentimetern. Da selbst die tiefsten Gewebe näher an der Oberfläche liegen, hat der Hauteffekt nur wenig Einfluss auf den Weg des Stroms durch den Körper; er neigt dazu, den Weg mit der geringsten elektrischen Impedanz zur Erde zu nehmen, und kann problemlos durch den Körperkern fließen. In der medizinischen Therapie, die als Langwellendiathermie bezeichnet wird, wurde jahrzehntelang sorgfältig kontrollierter HF-Strom mit Tesla-Frequenzen zur Erwärmung des Tiefengewebes, einschließlich der Erwärmung innerer Organe wie der Lunge, verwendet. Moderne Kurzwellen-Diathermiegeräte verwenden eine höhere Frequenz von 27 MHz, die eine entsprechend geringere Hauttiefe aufweist, aber dennoch in der Lage ist, tiefes Körpergewebe zu durchdringen. ⓘ

Aufbau

Träger-Teslatransformator

Die Spule von Träger-Teslatransformatoren ist ebenso aufgebaut wie die von Impuls-Teslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator, der mit Transistoren (Abk. SSTC von engl. solid state tesla coil) oder Elektronenröhren (Abk. VTTC von engl. vacuum tube Tesla coil) arbeitet. Er muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden. Dafür besitzt der Transformatoraufbau manchmal eine weitere (Hilfs-)Wicklung. ⓘ

Bei der sogenannten DRSSTC (Abk. DRSSTC von engl. dual resonant solid state Tesla coil) ist der Primärkreis ein Reihenschwingkreis, der effektiv mit einer Rechteckschwingung gespeist wird. Dadurch wird bereits primärseitig eine Resonanzüberhöhung wirksam. ⓘ

Mit kontinuierlich arbeitenden Geräten lassen sich meist weniger lange Büschelentladungen erzeugen als mit Impuls-Teslatransformatoren – der Leistungsbedarf zur Ionisierung und Erzeugung der Entladungen steigt mit der Spannung erheblich an und lässt sich leichter im Impulsbetrieb aus einem Kondensator bereitstellen. ⓘ

Bei wechselnden Resonanzbedingungen besteht das Risiko einer Fehlanpassung des Generators und damit die Gefahr seiner Überlastung. Eine Überlastung wird von Elektronenröhren besser ertragen als von Transistoren. ⓘ

Prinzip Schaltbild einer DRSSTC ⓘ

Beide vorgenannten Erkenntnisse führten zu Träger-Teslatransformatoren, bei denen der Generator im Impulsbetrieb höhere Leistungen erzeugt. Oft wird dazu jede zweite Halbwelle der Netzspannung genutzt, sodass die Geräte mit 50 Hz pulsen. ⓘ

Technische Bedeutung

Der Aufbau des Tesla-Transformators ähnelt stark dem Konzept von frühen Funkanlagen nach Marconi und anderen, insbesondere dem Knallfunkensender und dem Löschfunkensender, die aufgrund ihrer großen Bandbreite in den 1920er Jahren verboten wurden. Teslatransformatoren führen durch die Funkenentladungen und die resonante Grundwelle im Langwellenbereich zu Störungen des Funkempfanges, die kurze Funkendauer führt zu Knackgeräuschen in einem weiten Bereich bis zu Dezimeterwellen. ⓘ

Nutzbringende Anwendungen der Teslatransformatoren der oben beschriebenen Form gibt es aktuell kaum. Im Wesentlichen handelt es sich um einen eindrucksvollen, lehrreichen Apparat aus der Pionierzeit der Elektrotechnik. ⓘ

An nicht-leitenden Vakuumbehältnissen (z. B. Glas) lassen sich Lecks finden, weil dort die Luft zu leuchten beginnt, wenn das weitgehend evakuierte Innere mit hochfrequenter Hochspannung erregt wird. ⓘ

Das von Tesla propagierte Prinzip der drahtlosen Übertragung von Energie wird zur Übertragung sehr kleiner Leistungen im Bereich von Mikrowatt bis zu einigen Milliwatt zwar angewendet, erfordert aber keine Hochspannung. So gibt es RFID-Chips und Sensoren, die sich aus einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld speisen. Das Feld wird durch Ringspulen erzeugt, die an die Sensoren angenähert werden und zugleich dem Empfang der Signale der Sensoren dienen. Es gibt auch Versuche, in einem ganzen Raum ein entsprechend hohes Feld zu erzeugen, um darin befindliche Sensoren geringer Leistung zu speisen. ⓘ

Ein ähnliches Funktionsprinzip wie das des Tesla-Transformators ist bei Resonanzwandlern gegeben, welche neben anderen Schaltungsteilen auch aus einem Resonanztransformator bestehen. Resonanzwandler werden unter anderem zur Stromversorgung von Leuchtröhren eingesetzt und dienen zur Erzeugung von elektrischen Spannungen im Bereich einiger 100 V zum Betrieb von Kaltkathodenröhren. Auch manche elektronischen Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen basieren auf dem Prinzip von Resonanzwandlern, da sich dabei mit verhältnismäßig geringem Aufwand hohe elektrische Spannungen erzeugen lassen. ⓘ

Weitere derartige Anwendungen sind elektronische Zündtransformatoren für Bogenlampen, Öl- und Gasbrenner und Lichtbogen-Spleißgeräte und Lichtbogen- und Plasmaschweißgeräte. ⓘ

In einigen Bauformen von Plasmahochtönern werden Tesla-Transformatoren zum Erzeugen der Hochspannung eingesetzt. ⓘ

Bekannte Tesla-Anlagen

Große Teslatransformatoren im Aufbau (San Mateo/Kalifornien) ⓘ

Electrum, die größte noch in Betrieb stehende Anlage, steht in Auckland, Neuseeland. Sie hat eine Leistung von 130 kW und eine Höhe von ca. 12 m. Unter voller Leistung entstehen Blitze mit einer Länge von 15 m. Electrum steht auf Privatgrund und kann daher nicht mehr besichtigt werden. ⓘ

Der größte konische Tesla-Transformator der Welt ist im Mid America Science Museum in Hot Springs, Arkansas zu besichtigen. Diese Trafo-Anordnung kann Spannungen bis zu 1,5 MV erzeugen. ⓘ

Von August bis November 2007 wurde ein etwa 4 m hoher Tesla-Transformator von EnBW (EnergyTower) im Science Center phæno in Wolfsburg gezeigt. Dieser in Europa größte Tesla-Transformator erzeugt über 5 m lange Blitzkaskaden (notariell beglaubigt am 17. August 2007). ⓘ

Tesla-Anlagen befinden sich auch im Technorama in Winterthur (Schweiz), in Wien (Technisches Museum, Hochspannungslabor), an der TU Graz in der Nikola-Tesla-Halle und in vielen anderen technischen Museen oder science center genannten Experimental-Ausstellungen. ⓘ

Es gibt etliche Teslatrafoprojekte von Hobbyenthusiasten (engl. tesla coiler) und auch kommerzielle öffentliche Schaustellungen, die Teslatransformatoren einsetzen. ⓘ

Gefahren

Tesla-Transformatoren erzeugen hohe elektrische Spannungen und elektromagnetische Wechselfelder. Dadurch entstehen folgende Gefahren während des Betriebes einer Teslaanlage:

Lebensgefährliche Stromschläge (Stromunfall) bei zu geringem Abstand zu Hochspannung führenden Teilen.
Punktuelle Verbrennungen bei Annäherung und Funkenschlag auf die Haut.
Schäden durch Ultraviolettstrahlung der Entladungen.
Reizung und Atembeschwerden aufgrund der Bildung von Ozon und Stickoxiden.
Störung von Herzschrittmachern oder Implantierbaren Kardioverter-Defibrillatoren.
Schwere Verbrennungen und Stromschläge sind bei allen Bauweisen bereits bei geringer Leistung möglich. ⓘ

Versuche mit Hochspannung sollten deshalb in entsprechend abgeschirmten Räumen wie einem Hochspannungsprüffeld oder Hochspannungslabor durchgeführt werden. ⓘ

Tesla-Transformatoren erzeugen je nach Bauart elektrische und magnetische Wechselfelder im Frequenzbereich unterhalb von Langwellen bis zu Dezimeterwellen, die abgestrahlt werden oder aufgrund der Verbindung mit dem Stromnetz als leitungsgebundene Störungen emittiert werden. Der Betrieb kann elektronische Geräte, den Funkverkehr und den Rundfunkempfang stören. ⓘ

Tesla-Anlagen in der Kultur

Erotec Violet Wand, circa 2000 ⓘ

Seit den 1990er Jahren ist der auf dem Tesla-Transformator basierende Violet Wand in der BDSM-Szene zur erotischen Elektrostimulation beliebt. ⓘ

Erwähnung findet der Teslatransformator in den Filmen Coffee and Cigarettes, Duell der Magier, The Prestige, xXx – Triple X und in dem Klassiker Metropolis sowie in den Computerspielen Command & Conquer: Alarmstufe Rot I / II / Yuri's Rache / III unter der Bezeichnung Teslaspule, dem Videospiel Tomb Raider: Legend, Blazing Angels 2, einem AddOn von Fallout 3 (Broken Steel), Grand Theft Auto II (Electro Gun), Secret Missions of WW II, Tremulous, Return to Castle Wolfenstein, der Hörspielserie Offenbarung 23, Folge 11: »Die Hindenburg« und dem Smartphonespiel Clash of Clans. ⓘ

Das Zeusaphon(e) moduliert die elektrischen Entladungen etwa nach einem elektrischen Musiksignal, sodass durch die thermische Ausdehnung der Luft am Ort des Funkens Musik hörbar wird. Der junge Steirer Nikolaus Juch (* 19. März 2002) stellt am 6. Oktober 2021 im ZDF bei Da kommst du nie drauf! seine "singende und sprechende Teslaspule" vor, die er als Demonstrator für Elektrotechnik an Schulen weiterentwickeln will. ⓘ