BOBINE TESLA: HISTOIRE, COMMENT ÇA MARCHE, À QUOI ÇA SERT - PHYSIQUE - 2024

La bobine Tesla est un enroulement qui fonctionne comme un générateur haute tension et haute fréquence. Il a été inventé par le physicien Nikola Tesla (1856 - 1943), qui l'a breveté en 1891.

L'induction magnétique a fait réfléchir Tesla à la possibilité de transmettre de l'énergie électrique sans l'intervention de conducteurs. Par conséquent, l'idée du scientifique et de l'inventeur était de créer un appareil qui servirait à transférer de l'électricité sans utiliser de câbles. Cependant, l'utilisation de cette machine est très inefficace, elle a donc été abandonnée sous peu à cet effet.

Figure 1. Démonstration avec la bobine Tesla. Source: Pixabay.

Même ainsi, les bobines Tesla peuvent toujours être trouvées avec certaines applications spécifiques, telles que dans les pylônes ou dans les expériences de physique.

L'histoire

La bobine a été créée par Tesla peu de temps après la découverte des expériences de Hertz. Tesla lui-même l'a appelé «appareil de transmission d'énergie électrique». Tesla voulait prouver que l'électricité pouvait être transmise sans fil.

Dans son laboratoire de Colorado Springs, Tesla avait à sa disposition une énorme bobine de 16 mètres fixée à une antenne. L'appareil a été utilisé pour mener des expériences de transmission d'énergie.

Expérimentez avec des bobines Tesla.

À une occasion, il y a eu un accident causé par cette bobine dans lequel des dynamos d'une centrale électrique située à 10 kilomètres de distance ont été brûlées. À la suite de la panne, des arcs électriques se sont produits autour des enroulements des dynamos.

Rien de tout cela n'a découragé Tesla, qui a continué à expérimenter de nombreux modèles de bobines, qui sont maintenant connus sous son nom.

Comment ça marche?

La célèbre bobine de Tesla est l'une des nombreuses conceptions que Nikola Tesla a faites pour transmettre de l'électricité sans fil. Les versions originales étaient de grande taille et utilisaient des sources à haute tension et à courant élevé.

Naturellement, il existe aujourd'hui des designs beaucoup plus petits, compacts et faits maison que nous décrirons et expliquerons dans la section suivante.

Figure 2. Schéma de la bobine Tesla de base. Source: self made.

Une conception basée sur les versions originales de la bobine Tesla est celle illustrée dans la figure ci-dessus. Le schéma électrique de la figure précédente peut être divisé en trois sections.

Source (F)

La source se compose d'un générateur de courant alternatif et d'un transformateur à gain élevé. La sortie de la source est généralement comprise entre 10 000 V et 30 000 V.

Premier circuit résonnant LC 1

Il se compose d'un interrupteur S dit "Spark Gap" ou "Explosor", qui ferme le circuit lorsqu'une étincelle saute entre ses extrémités. Le circuit LC 1 comporte également un condensateur C1 et une bobine L1 connectés en série.

Deuxième circuit résonnant LC 2

Le circuit LC 2 est constitué d'une bobine L2 ayant un rapport de rotation d'environ 100 à 1 par rapport à la bobine L1 et d'un condensateur C2. Le condensateur C2 se connecte à la bobine L2 via la masse.

La bobine L2 est généralement un fil enroulé avec un émail isolant sur un tube de matériau non conducteur tel que la céramique, le verre ou le plastique. La bobine L1, bien que non représentée comme ceci sur le schéma, est enroulée sur la bobine L2.

Le condensateur C2, comme tous les condensateurs, se compose de deux plaques métalliques. Dans les bobines Tesla, l'une des plaques C2 a généralement la forme d'un dôme sphérique ou toroïdal et est connectée en série avec la bobine L2.

L'autre carte de C2 est l'environnement proche, par exemple un socle métallique fini en sphère et relié à la masse pour fermer le circuit avec l'autre extrémité de L2, également connectée à la masse.

Mécanisme d'action

Lorsqu'une bobine Tesla est activée, la source haute tension charge le condensateur C1. Lorsque celui-ci atteint une tension suffisamment élevée, il fait un saut d'étincelle dans l'interrupteur S (éclateur ou exploseur), fermant le circuit résonnant I.

Puis le condensateur C1 se décharge à travers la bobine L1 générant un champ magnétique variable. Ce champ magnétique variable traverse également la bobine L2 et induit une force électromotrice sur la bobine L2.

Parce que L2 est environ 100 tours plus long que L1, la tension électrique à travers L2 est 100 fois supérieure à celle à travers L1. Et puisque dans L1 la tension est de l'ordre de 10 000 volts, alors dans L2 elle sera de 1 million de volts.

L'énergie magnétique accumulée dans L2 est transférée sous forme d'énergie électrique au condensateur C2 qui, lorsqu'il atteint des valeurs de tension maximales de l'ordre du million de volts, ionise l'air, produit une étincelle et se décharge brusquement à travers le sol. Les décharges se produisent entre 100 et 150 fois par seconde.

Le circuit LC1 est dit résonnant car l'énergie accumulée dans le condensateur C1 passe vers la bobine L1 et vice versa; c'est-à-dire qu'une oscillation se produit.

Il en est de même dans le circuit résonant LC2, dans lequel l'énergie magnétique de la bobine L2 est transférée sous forme d'énergie électrique au condensateur C2 et vice versa. C'est-à-dire que dans le circuit un courant aller-retour est produit en alternance.

La fréquence d'oscillation naturelle dans un circuit LC est

Résonance et induction mutuelle

Lorsque l'énergie fournie aux circuits LC se produit à la même fréquence que la fréquence naturelle d'oscillation du circuit, alors le transfert d'énergie est optimal, produisant une amplification maximale dans le courant du circuit. Ce phénomène commun à tous les systèmes oscillants est appelé résonance.

Les circuits LC1 et LC2 sont couplés magnétiquement, un autre phénomène appelé induction mutuelle.

Pour un transfert d'énergie optimal du circuit LC1 au LC2 et vice versa, les fréquences d'oscillation naturelle des deux circuits doivent correspondre, et elles doivent également correspondre à la fréquence de la source de haute tension.

Ceci est réalisé en ajustant les valeurs de capacité et d'inductance dans les deux circuits, de sorte que les fréquences d'oscillation coïncident avec la fréquence source:

Lorsque cela se produit, la puissance de la source est efficacement transférée vers le circuit LC1 et de LC1 vers LC2. A chaque cycle d'oscillation, l'énergie électrique et magnétique accumulée dans chaque circuit augmente.

Lorsque la tension électrique aux bornes de C2 est suffisamment élevée, l'énergie est libérée sous forme d'éclair en déchargeant C2 à la terre.

Utilisations de la bobine Tesla

L'idée originale de Tesla dans ses expériences avec ces bobines a toujours été de trouver un moyen de transmettre l'énergie électrique sur de longues distances sans câblage.

Cependant, le faible rendement de ce procédé dû aux pertes d'énergie par dispersion dans l'environnement a rendu nécessaire la recherche d'autres moyens pour transmettre l'énergie électrique. Aujourd'hui, le câblage est toujours utilisé.

Lampe à plasma, qui a aidé à développer l'expérience de Tesla.

Cependant, de nombreuses idées originales de Nikola Tesla sont toujours présentes dans les systèmes de transmission câblés actuels. Par exemple, des transformateurs élévateurs dans les sous-stations électriques pour la transmission sur des câbles avec moins de pertes, et des transformateurs abaisseurs pour la distribution domestique, ont été conçus par Tesla.

Bien qu'elles ne soient pas utilisées à grande échelle, les bobines Tesla continuent d'être utiles dans l'industrie électrique haute tension pour tester les systèmes d'isolation, les tours et autres appareils électriques qui doivent fonctionner en toute sécurité. Ils sont également utilisés dans divers spectacles pour générer des éclairs et des étincelles, ainsi que dans certaines expériences de physique.

Il est important de prendre des mesures de sécurité dans les expériences à haute tension avec de grandes bobines Tesla. Un exemple est l'utilisation de cages de Faraday pour la protection des observateurs et de combinaisons en maille métallique pour les artistes qui participent à des spectacles avec ces bobines.

Comment faire une bobine Tesla maison?

Composants

Aucune source CA haute tension ne sera utilisée dans cette version miniature de la bobine Tesla. Au contraire, la source d'alimentation sera une pile 9 V, comme le montre le schéma de la figure 3.

Figure 3. Schéma de construction d'une mini bobine Tesla. Source: self made.

L'autre différence par rapport à la version originale de Tesla est l'utilisation d'un transistor. Dans notre cas ce sera le 2222A, qui est un transistor NPN à faible signal mais avec une réponse rapide ou haute fréquence.

Le circuit comporte également un interrupteur S, une bobine primaire L1 à 3 tours et une bobine secondaire L2 de 275 tours minimum, mais il peut également être compris entre 300 et 400 tours.

La bobine primaire peut être construite avec un fil commun avec une isolation en plastique, mais la bobine secondaire nécessite un fil fin recouvert d'un vernis isolant, qui est celui généralement utilisé dans les enroulements. L'enroulement peut se faire sur un tube en carton ou en plastique d'un diamètre compris entre 3 et 4 cm.

Utilisation du transistor

Il faut se rappeler qu'à l'époque de Nikola Tesla, il n'y avait pas de transistors. Dans ce cas, le transistor remplace «l'éclateur» ou «exploseur» de la version originale. Le transistor servira de grille permettant ou non le passage du courant. Pour cela, le transistor est polarisé comme suit: le collecteur c vers la borne positive et l'émetteur e vers la borne négative de la batterie.

Lorsque la base b a une polarisation positive, alors elle permet le passage du courant du collecteur vers l'émetteur, sinon elle l'empêche.

Dans notre schéma, la base est connectée au positif de la batterie, mais une résistance de 22 kilo ohms est insérée, pour limiter l'excès de courant qui peut brûler le transistor.

Le circuit montre également une diode LED qui peut être rouge. Sa fonction sera expliquée plus loin.

A l'extrémité libre de la bobine secondaire L2, une petite bille métallique est placée, qui peut être fabriquée en recouvrant une bille de polystyrène ou une bille de pin-pong avec une feuille d'aluminium.

Cette sphère est la plaque d'un condensateur C, l'autre plaque étant l'environnement. C'est ce que l'on appelle la capacité parasite.

Comment fonctionne la bobine Mini Tesla

Lorsque l'interrupteur S est fermé, la base du transistor est polarisée positivement, et l'extrémité supérieure de la bobine primaire est également polarisée positivement. Ainsi, un courant apparaît brusquement qui traverse la bobine primaire, continue à travers le collecteur, quitte l'émetteur et retourne à la batterie.

Ce courant passe de zéro à une valeur maximale en très peu de temps, c'est pourquoi il induit une force électromotrice dans la bobine secondaire. Cela produit un courant qui va du bas de la bobine L2 à la base du transistor. Ce courant arrête brusquement la polarisation positive de la base de sorte que le courant passe à travers les arrêts primaires.

Dans certaines versions, la diode LED est retirée et le circuit fonctionne. Cependant, sa mise en place améliore l'efficacité de la coupure de la polarisation de la base du transistor.

Que se passe-t-il lorsque le courant circule?

Pendant le cycle de croissance rapide du courant dans le circuit primaire, une force électromotrice a été induite dans la bobine secondaire. Le rapport de spires entre primaire et secondaire étant de 3 à 275, l'extrémité libre de la bobine L2 a une tension de 825 V par rapport à la masse.

En raison de ce qui précède, un champ électrique intense est produit dans la sphère du condensateur C capable d'ioniser le gaz à basse pression dans un tube néon ou une lampe fluorescente qui s'approche de la sphère C et accélère les électrons libres à l'intérieur du tube. comme pour exciter les atomes qui produisent l'émission de lumière.

Lorsque le courant a cessé brusquement à travers la bobine L1 et la bobine L2 déchargée à travers l'air entourant C vers la terre, le cycle est redémarré.

Le point important dans ce type de circuit est que tout se passe en très peu de temps, de sorte que vous disposez d'un oscillateur haute fréquence. Dans ce type de circuit, le flottement ou oscillation rapide produit par le transistor est plus important que le phénomène de résonance décrit dans la section précédente et se référant à la version originale de la bobine de Tesla.

Expériences proposées avec des mini-bobines Tesla

Une fois la mini-bobine Tesla construite, il est possible de l'expérimenter. Évidemment, la foudre et les étincelles des versions originales ne seront pas produites.

Cependant, à l'aide d'une ampoule fluorescente ou d'un tube néon, nous pouvons observer comment l'effet combiné du champ électrique intense généré dans le condensateur à l'extrémité de la bobine et la haute fréquence d'oscillation de ce champ, rendent la lampe s'allument juste à l'approche de la sphère du condenseur.

Le champ électrique puissant ionise le gaz basse pression à l'intérieur du tube, laissant des électrons libres dans le gaz. Ainsi, la fréquence élevée du circuit amène les électrons libres à l'intérieur du tube fluorescent à accélérer et à exciter la poudre fluorescente adhérant à la paroi interne du tube, l'amenant à émettre de la lumière.

Vous pouvez également rapprocher une LED lumineuse de la sphère C, en observant comment elle s'allume même lorsque les broches LED n'ont pas été connectées.

Références

1. Blake, théorie de la bobine T. Tesla. Récupéré de: tb3.com.
2. Burnett, R. Fonctionnement de la bobine Tesla. Récupéré de: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. MacGraw Hill. 626-628.
4. L'universite de Wisconsin-Madison. Bobine Tesla. Récupéré de: wonderers.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Bobine Tesla. Récupéré de: wikiwand.com.