Verslagen Radiocafť

5 juni 2018: De Tesla transformator

Gelijk bij de eerste aankondiging van deze lezing reageerden vele leden op het Radioforum. Het zou levensgevaarlijk zijn en pacemakers zouden ontregeld raken. Ook telefoons, fototoestellen en niet te vergeten al dat moderne spul waar men de hele dag zo nodig mee moet spelen zouden voor eeuwig defect kunnen raken.

Ach ik begrijp het wel, nu we nog alleen met hooguit een paar penlite batterijtjes werken, dat hoge voltages vrijwel vergeten zijn en tot het verleden behoren. Volgens mij is het afsteken van vuurwerk gevaarlijker. Opmerkelijk dat ik zelf tijdens de lezing het dichtst bij de voor de volgens vele leden helse Tesla-trafo sta en niets mankeer.

Het valt dus wel mee, natuurlijk is een waarschuwing op zijn plaats. Zelfs bij medicijnen krijg je een lijst wat je allemaal zou kunnen overkomen, bij het innemen van de tabletten. Maar dat is alleen maar om de fabrikant in te dekken als er iets bij toeval eventueel mis zou gaan.
De trafo is gewikkeld op een 30 cm lange glazen pijp met een doorsnede ven 1 Inch en bewikkeld met 0,15 mm povin-draad. Dat zijn dus 2000 wdg.

De primaire is een draad van 0,75 mm en heeft 8 wdg. De wikkelverhouding is 250 maal.  Beide spoelen werken in een oscillator schakeling middels een forse eindtor in een frequentie van een ½ MHz.

Het geheel is aangesloten op een accuspanning van 16 volt. De topwaarde (= 2 maal de amplitude) is dan ook ongeveer 11000 Volt. Hiermee wordt de zilveren bol (Torus) geladen.

Denk niet, bij aanraken lig ik gelijk amechtig naast mijn stoel. Want de oscillator slaat direct af.

Geen overdreven ingewikkelde schakeling. De bol is een golfballetje omwikkeld met stroken zilverpapier. De lading is alleen te vinden op de oppervlakte van de bol. Dat is 4 Pi x de straal in het kwadraat. In de formule gaan we er van uit dat een bol van 2 centimeter 1 capaciteit kan bevatten. Zomaar een uit de losse hand bedachte maatgeving van een geleerde rond het jaar 1750. Misschien wel van Musschenbroek.

Nu heeft een golfballetje een doorsnede van 4,2 cm dat komt bijna overeen met een bol welk een doorsnede heeft 1,66 inch. Dat zou betekenen dat de gemeten bol vroeger niet in centimeters maar in inches is berekend en dus 0,833 x 2,54 cm moet zijn. De uitkomst is dan 2,1 cm. De straal is dan 1,05 en in het kwadraat is dat 1,1025. Dat zou de reden zijn dat de oppervlakte van de bol in werkelijkheid groter is en dat de uitkomst in centimeters met 1,1 vermenigvuldigd moet worden om overeen te komen met 1 pF.

Het is een verdwaalde golfbal die ik tegen mijn hoofd aan kreeg terwijl ik rond het golfterrein fietste. Thuisgekomen de bal gemeten en gewogen. Het gewicht van 42 gram komt overeen met de doorsnede in mm. Gezien het gewicht en de aanvliegsnelheid mag ik blij zijn dat ik het hier nu op kan schrijven. Deze bal staat nu boven op de Tesla-trafo en heeft nu een andere functie. Het mag begrijpelijk zijn dat de bal vroeger gevaarlijker was om mee in aanraking te komen dan nu met haar forse capacitieve lading rustend boven op de lange spoel.

Tijdens de werking loopt er een accustroom van 1 Ampère. De accu levert 16 Volt en het geleverde vermogen is slechts 16 Watt.  Als we dat delen door de opgewekte spanning zal het duidelijk zijn dat het zeer zwakke stromen zijn die de bol uitstraalt.

De bol werkt als een condensator ten op zichte van de aarde en de lucht is het diëlektricum.  Dat bij hoge spanningen kan doorslaan waarbij bliksemschichten waargenomen kunnen worden. Maar met 16 Volt voedingsspanning zal dat niet gebeuren.

Dat er straling is kunnen we zien als wij een 40 Watt Tl-buis met één kant dicht bij de Torus houden. De Tl-buis licht in zijn geheel op en brandt net zo fel als normaal in een armatuur.

Om de dichtheid van de lading te meten werd lang geleden de elektrometer van Kolbe gebruikt. Deze bestaat uit een elektroscoop waarvan de knop bevestigd is aan een staafje, waar aan een blaadje beweeglijk verbonden is. Wordt de knop geladen, dan krijgt het blaadje een uitwijking (twee gelijknamig geladen lichamen stoten elkaar af) en deze uitwijking kan op een in graden verdeelde cirkelboog afgelezen worden.

Wil men een meting verrichten dan moet eerst de bol boven op de kast van de Kolbe meter goed ontladen worden. Daarna maakt men met een te meten geladen voorwerp contact, zodat deze een deel van zijn lading afstaat aan de bol van de elektrometer. Het blaadje zal dan uitslaan en men kan daarmee waarnemen hoe groot de lading is ten overstaan van andere metingen.

De meeste bekende condensator is wel de 'Leidsche Flesch' een onverwachte ontdekking van Cuneus, de technisch medewerker van Musschenbroek die in 1746 in een glas water een draad liet hangen verbonden met een machine die zeer hoge spanningen kan opwekken. Zou het water warm geworden zijn? Met zijn vinger voelde hij of dat het geval zou zijn. Ach we weten hoe dat afliep! Eigenlijk de geboorte van de condensator.

Door een fles zowel aan de buitenkant en binnenzijde te voorzien van een metalen bekleedsel van bladtin, hebben we een condensator waarbij het glas het diëlektricum is. Door het glas ruim boven beide bekleedsels te laten uitsteken is overslag tussen beide bekleedsels niet mogelijk.

We kunnen deze condensator laden met een hoge spanning. Als we dan met een ontlaadtang de twee aansluitingen dicht naar elkaar brengen dan zal er onverwacht een ontlading plaats vinden.

Is de afstand tussen de bolletjes van ontlaadtang om dat moment een centimeter dan mogen we aannemen dat er bij 30 kV deze ontlading heeft plaats gevonden. Brengen we de ontlaadbolletjes van de tang dichter na elkaar toe dan zal er nogmaals een vonk overspringen. Het is de restlading, die ongeveer 15% bedraagt van eerste lading. Dit wordt toegeschreven aan verandering van het glas tijdens het laden. Wordt de fles ontladen dan keert het glas weer in haar oorspronkelijke staat terug.

Men heeft bij wijze van proef bij een geladen fles met hoog geïsoleerd materiaal beide bekleedsels verwijderd. Na een maximale lading werd eerst het binnenbekleedsel voorzichtig weggehaald en daarna het buitenbekleedsel. Deze kunnen met de hand zonder een schok te krijgen aangeraakt worden.

Wordt nu het glas middels een hoog geïsoleerde glazen tang bij de bol van de elektrometer gehouden dat slaat deze vol uit. De lading bevindt zich dus op de oppervlakten van het glas. Met de ontlaadtang kan zelfs een vonk getrokken worden tussen de binnen- en buitenzijde van het glas. Als de bekleedsels weer teruggeplaatst zijn, is er weer spanning tussen beide aansluitingen aanwezig. Het blijft oppassen!

We hebben tijdens een vorige lezing van John Hupse over rolcondensatoren en teerdotten veel kunnen leren hoe deze zich gedragen als de ouderdom toeslaat.  Bij deze condensatoren worden de bekleedsels gelijktijdig met een geïsoleerd tussenvoegsel opgerold om een behoorlijke capaciteit te verkrijgen. Dit diëlektricum is in paraffine gedrenkt papier.

Een interessante lezing die ik met aandacht heb gevolgd en waar duidelijk werd gemaakt dat niet alle condensatoren maar gelijk uit een radio geknipt moeten worden. Restaureren moet met beleid gebeuren, dus niet direct alle condensatoren vervangen.

Wel blijkt uit de proef met de 'Leidsche Flesch' dat het diëlektricum een grote rol speelt en in feite zorgt voor de ladingsopslag. Met andere woorden: condensatoren gewikkeld met bladzilver of zelfs bladgoud voegen absoluut niets toe aan de condensatorwerking. Hooguit zal de soortelijke weerstand van het materiaal een rol kunnen spelen bij een snelle ontlading. Het blijkt dat men dat al had ontdekt voor het jaar 1800 en dat het diëlektricum bepalend is voor de capaciteit.

Onder de capaciteit van een condensator verstaan wij de capaciteit van de oppervlakte van de kleinste plaat in cm2 tegenover de grootste. Bij benadering wordt de capaciteit in pico Farad aan gegeven door de formule.

C = 0,088 * ε * A / d
ε = (epsilon) is de diŽlektrische constante,
A = oppervlakte kleinste plaat in cm2,
d = afstand platen in cm.
Uitkomst is in pico Farad.

Materiaal ε = voor glas 4 à 7, mica 6 à 8,  lucht 1, polystyreen 2,5.

Al direct kreeg ik de vraag, waar komt het getal 0,088 vandaan in de formule.
Dat is 1,1025/ 4 pi = 0,0877 afgerond 0,088. We vinden daarin terug dat dus 1 cm vermenigvuldigd moet worden met 1,1 om pico Farad te worden.

Deze Tesla-oscillator, die genereert op 500 kHz, kan gemoduleerd worden.
Daarvoor meegebracht een Philips signaltracer met microfoon. De laagohmige luidsprekeruitgang wordt in serie geschakeld met de 12 volts accu.
Modulatie in de voeding van de oscillator.

Voor afstemmen op de uitgezonden frequentie een eenvoudige afstemkring met een variabele condensator met honingraat spoel en detectordiode...

... welke is aangesloten op een Marshall versterker van 14 Watt.

Het werkte perfect! Duidelijk en luid was mijn stem te horen en later de microfoon vervangen door een cassetterecorder, met muziek van het bekende Walter Mooy trio, dat regelmatig optreedt op NVHR-manifestaties.

De wonderlijke Tesla is met enige aanpassingen (antenne-afstemming) te gebruiken als een vrij krachtige zender met een behoorlijke reikwijdte.

Tekst: Piet van Schagen, foto's: Klaas Jellema.