Mit einer Teslaspule lassen sich große Spannungen und dadurch Entladungen in der Luft erzeugen. Das Ziel des Versuchs ist es den Einfluss der Resonanz auf die Ausgangsspannung qualitativ zu demonstrieren. Außerdem können verschiedene Phänomene, wie die kabellose Übertragung von elektrischer Energie vorgeführt werden.

Theoretische Zusammenfassung

Mit einer Teslaspule lassen sich große Spannungen erzeugen. Dies geschiet, wie bei einem herkömmlichen Transformator über die Induktion. Es wird also eine Spule mit wenigen Wicklungen, die Primärspule und eine Spule mit vielen Wicklungen, die Sekundärspule benötigt. Die Besonderheit der Teslaspule ist, dass zudem das Phänomen der Resonanz ausgenutzt wird. Dazu wird jedoch eine Schwingung in irgendeiner Form benötigt. Bei der Teslaspule wird dies dadurch realisiert, dass jeweils ein Kondensator parallel die Primär- und Sekundärspule angeschlossen wird. Dadurch entstehen zwei elektromagnetische Schwingkreise. Diese können nun über die Kapazität der Kondensatoren oder die Induktivität der Spulen so aufeinander abgestimmt werden, dass sie (fast) dieselbe Eigenfrequenz besitzte.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

2.1 Erkenntenisgewinnung
- 1 Phänomene und Experimente zielgerichtet beobachten und ihre Beobachtungen beschreiben
2.3 Bewertung
- 3 Hypothesen anhand der Ergebnisse von Experimenten beurteilen
- 7 Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten und im Alltag mithilfe ihres physikalischen Wissens bewerten

Nötige Vorkenntnisse

Um das Experiment verstehen zu können, müssen die SuS die Induktion behandelt und die Funktion eines Transformators verstanden haben. Außerdem sollten sie das Phänomen der Resonanz kennen und den elektromagnetischen Schwingkreis behandelt haben.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Die Teslaspule darf nicht lange betrieben werden. Die SuS haben daher wenig Zeit für Beobachtungen/ Aufnahmen etc
Die Blitze an der Funkenstrecke könnten die SuS ablenken
Wenn es zu hell ist kann es schwer sein die Entladungen an der Teslaspule zu sehen

Teslaspule im Betrieb

Allgemein
Klassenstufe	Klasse 11/12
Kategorie	Elektromagnetismus
Einordnung in den Bildungsplan von BW	3.3.2 Elektromagnetismus	3.4.3 Schwingungen

Klassifikation
Quantitativ/Qualitativ	Qualitativ
Demo-/Schülerexperiment	Demoexperiment
Unterrichtsphase	?
Einzelversuch/Versuchsreihe	Versuchsreihe Induktion

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Transformatorkern D von 3B Scientific
Primärspule des Transformators mit 600 Windungen
Sekundärspule des Transformators mit 24000 Windungen
Primärspule der Teslaspule
Sekundärspule der Teslaspule
Flaschenkondensator
Rotierende Funkenstrecke mit Motor
Labornetzgerät PeakTech 6226
Bananenkabel 2mm (Ausreichend viele)
Krokodilklemmen

Versuchsaufbau

Die Teslaspule kann mit Hilfe des Schaltplans auf der rechten Seite aufgebaut werden. Die folgenden Schritte können dabei behilflich sein. Außerdem ist eine Bilderreihe am unteren Ende des Kapitels, mit Bildern der einzelnen Bauteile.

Schritt 1: Den Transformator aus den beiden Spulen und dem Eisenkern aufbauen.
Schritt 2: Die Funkenstrecke mit zwei Kabeln und zwei Krokodilklemmen mit dem Transformator verbinden. Die Krokodilklemmen müssen dazu an die Nägel im Holz geklemmt werden.
Schritt 3: Den Motor der Funkenstrecke mit zwei Kabeln und zwei Krokodilklemmen an das Netzgerät anschließen
Schritt 4: Die Sekundärspule der Teslaspule in die Primärspule der Teslaspule stellen und über den Draht am unteren Ende mit einem Kabel und einer Krokodilklemme an der Steckdose erden.
Schritt 5: Das äußere Ende der Primärspule der Teslaspule mit einem Kabel und einer Krokodilklemme an einem Nagel der Funkenstrecke befestigen
Schritt 6: Das innere Ende der Primärspule der Teslaspule mit einem Kabel und einer Verbindung für Bananenstecker an dem Flaschenkondensator befestigen. Der Flaschenkondensator besitzt zwei Anschlüsse. Einen an einer Eisenplatte auf dem Boden und einen an dem Drahtgerüst. Im Prinzip kann das Kabel an beiden angeschlossen werden. Es muss nur darauf geachtet werden, dass sich keine Kabel kreuzen.
Schritt 7: Den anderen Anschluss des Flaschenkondensators mit einem Kabel und einer Krokodilklemme mit dem zweiten Nagel der Funkenstrecke verbinden.

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    Transformator
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    Funkenstrecke
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    Funkenstrecke und Transformator
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    Teslaspule
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    Teslaspule mit Funkenstrecke
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    Flaschenkondensator
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Auf diesem Bild ist der Schaltplan einer Teslaspule abgebildet. Die Schritte 1 bis 7 beschreiben, wie dieser aufgebaut werden kann.

Versuchsdurchführung

Zuallererst ein kleiner Appell. Behaltet immer im Hinterkopf, dass hier mit gefährlichen Spannungen/ Stromstärken hantiert wird. Nur Befugte dürfen dieses Experiment durchführen und es gilt lieber einmal zu viel den Kondensator entladen als zu wenig. Nachdem das Experiment durchgeführt wurde oder wenn Parameter wie Windungszahl oder Drehgeschwindigkeit verändert werden MUSS der Transformator ausgesteckt werden. Und nun zur Durchführung.

Zuerst wird der Motor der Funkenstrecke angeschaltet. Anschließend wird der Transformator an eine Steckerleiste angeschlossen die an- und ausgeschaltet werden kann. Dabei muss unbedingt die Kabelführung überprüft werden. Da sowohl an dem Transformator als auch an der Teslaspule sehr große Spannungen entstehen dürfen sich Kabel, die auf unterschiedlichen Potenzialen liegen nicht überschneiden bzw. einen großen Abstand voneinander haben. Sonst kann es zu Überschlägen kommen. Dies gilt vorallem für die Kabel die zum Motor der Funkstrecke führen, da sonst das Netzgerät beschädigt werden kann. Nun kann der Transformator mit der Steckerleiste angeschaltet werden. Es ist darauf zu achten, dass Abstand zum Transformator und zur Spule eingehalten wird und der Transformator nicht zu lange betrieben wird (MAXIMAL 30 SEKUNDEN). Es können verschiedene Parameter varriert werden. Zum einen kann die Drehzahl des Motors und zum anderen die Induktivität der Spule über die WIndungszahl zwischen den Durchführungen verändert werden.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Kabelführung (Abstände zwischen Kabeln so groß wie möglich machen, sonst durchschlagsgefahr)
Drehzahl des Motors etwas unter 50 Hz einstellen.
Durch Anheben/ Absenken der Primärspule der Teslaspule kann Kopplung verändert werden. Bei Überschlägen zwischen den Spulen der Teslapsule Primärspule absenken
Transformator nicht zu lange laufen lassen (Überhitzung)
Transformator über Steckerleiste ein und ausschalten, nicht am Traffo selbst.

Sicherheitshinweise

Berührungsgefährlichen Spannungen
Durch die Entladungen in der Luft bildet sich Ozon. Aus diesem Grund sollte während des Betriebs gelüftet werden.

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:BP-Teslaspule Elektromagnetismus Teslaspule.jpeg|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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    Teslaspule
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    Transformator
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    Funkenstrecke
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    Funkenstrecke und Transformator
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    Teslaspule mit Funkenstrecke
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    Flaschenkondensator
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Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0

BP

BP:Teslaspule

Aus Physik und ihre Didaktik Wiki

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