Spätestens seit den Hollywoodfilmen „Coffee & Cigarettes“ und „Prestige“ oder dem Computerspiel „Command & Conquer“ sind die spektakulären, Blitze schleudernden „Tesla-Spulen“ bekannt. Seit wenigen Monaten sind sie auch an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz zu finden.
Im Rahmen seiner Examensarbeit entwickelte Daniel Herber, Lehramtsstudent für Physik und Sozialkunde, mehrere Tesla-Spulen für das Institut für Physik. Der von Nikola Tesla erfundene Transformator legte vor mehr als 100 Jahren, eigentlich mit dem Ziel der freien, kabellosen Energieübertragung, den Grundstein für die heutige Funk- und Radiotechnik. Nun soll das Gerät auch Eingang in die Lehre – für Schüler und Studenten – finden. Im Interview mit Benjamin Kashlan erklärt Daniel Herber, wie es dazu kam.
Benjamin: Daniel, wie kommt die Tesla-Spule nach Mainz?
Daniel: Im Wintersemester letzten Jahres gab es am hiesigen Institut für Physik seitens Professor Dr. Lutz Köpke das Angebot, eine Examensarbeit zum Thema „Bau eines großen Teslatransformators“ zu schreiben und ich ergriff die Möglichkeit. Mittlerweile heißt meine Arbeit „Teslatransformatoren – Entwicklung und Aufbau für die Lehre“.
Benjamin: Was steckt hinter dem Thema?
Daniel: Im Prinzip stellt das Thema die Kombination einer Arbeit mit didaktischem Anteil und einer experimentellen Arbeit dar. Einerseits bestand die Aufgabe, einen kleinen Tesla-Transformator zusammen mit den Werkstätten des Instituts zu bauen, mit dem Schüler dann selbstständig experimentieren können. Andererseits habe ich einen großen Tesla-Transformator entwickelt und für den Einsatz in der Ex-2-Vorlesung (Physik Grundkurs II), in der es um Elektrodynamik und Optik mit Experimenten geht, gebaut. Es ist also praktisch keine neue Erfindung, sondern hat eher einen didaktischen Aspekt in der Universität wie auch in der Schule.
Benjamin: Um was handelt es sich eigentlich bei der so genannten Tesla-Spule und worin liegt der Unterschied zu einem herkömmlichen Transformator?
Daniel: Der Teslatransformator funktioniert nicht wie ein klassischer Transformator, sondern es sind im Prinzip zwei Schwingkreise, die in ihrer Frequenz genau aufeinander abgestimmt sind. Dadurch, dass Kapazität und Induktivität unterschiedlich gewählt sind, also die Bauteile in einem Schwingkreis anders dimensioniert sind, kommt es im Sekundärschwingkreis zu einer Spannungsüberhöhung. Wenn man es einfach erklärt…Mit Hilfe dieser Spannung lassen sich dann die spektakulären Blitze erzeugen.
Benjamin: Ist der Bau von einem Tesla-Transformator schwierig? Wie lange benötigt man für eine solche Examensarbeit?
Daniel: Das schwierigste war mit Sicherheit das Wickeln der Spulen mithilfe der Drehbank. Sie haben teilweise über 1000 Windungen, da darf man sich keinen Fehler erlauben. Dazu kommen viele Stunden Berechnungen und technische Überlegungen. Insgesamt habe ich jeweils etwa vier Monate zum Experimentieren und den schriftlichen Teil meiner Examensarbeit gebraucht.
Benjamin: Die Entwicklung des Tesla-Transformators ist nunmehr seit über hundert Jahren abgeschlossen. Wieso findet er in der Lehre immer noch Beachtung?
Daniel: Die zugrunde liegende Technik wird in vielen Bereichen heute noch, allen voran in der Funk- und Radiotechnik, eingesetzt. Es gibt viele verschiedene Anwendungs -möglichkeiten wie beispielsweise RFID-Chips. Die werden in Kaufhäusern eingesetzt zur Warenetikettierung. Das sind praktisch kleine Schwingkreise, die Energie aus dem Funknetz ziehen und mithilfe dieser Energie auch selbstständig Signale zurücksenden können. Hochfrequenzströme werden allerdings auch in der Medizin als so genannte Diathermieströme zur gezielten Erwärmung von inneren Organen eingesetzt. Deshalb spielt der Tesla-Transformator zur Grundlagenvermittlung immer noch eine wichtige Rolle in der Lehre.
Benjamin: Wo liegt der besondere didaktische bzw. pädagogische Nutzen deines Projektes?
Daniel: Der Vorteil ist, dass man damit spektakuläre Experimente machen kann. Man hat also die Aufmerksamkeit der Schüler und kann dadurch leicht Grundlagen vermitteln. Man kann beispielsweise Edelgasröhren zum Leuchten bringen, indem man diese in die Nähe des Transformators bringt. Da sieht man, dass Energie über das elektromagnetische Feld übertragen wird. Durch den Bau der kleinen Teslatransformatoren haben wir es möglich gemacht, dass Schüler selbstständig mit den Geräten experimentieren können. Die moderne Physikdidaktik ist sich einig, dass das Schülerexperiment eines der erfolgreichsten Lernmethoden ist.
Benjamin: Hat sich die gesteigerte Aufmerksamkeit und Vermittlung im Schulversuch bewahrheitet?
Daniel: Das habe ich im Schülerlabor erprobt. Das heißt, ich habe Schüler im Uni-Labor damit experimentieren lassen und diese dann den Unterricht evaluieren lassen. Die Ergebnisse bewiesen, dass die Schüler nicht nur einen Lernerfolg hatten, sondern auch großen Gefallen am Experiment fanden. Im Endeffekt konnte Stoff von mehreren Wochen innerhalb weniger Stunden abgehandelt werden. Das kam dadurch, dass die Schüler so bei der Sache waren und vor allem selbst die Geräte bedienen durften.
Benjamin: Birgt die Nutzung einer solchen Technik nicht Risiken, insbesondere bei direktem Kontakt mit Kindern?
Daniel: Nein. Selbst der kleine „Tesla-Transformator“ erzeugt zwar sehr hohe Spannungen von 5-10 Kilovolt, aber dadurch, dass die Frequenz des Wechselstroms so hoch ist und die Ionen in den menschlichen Zellen und Nervenbahnen so träge sind, dass diese nicht folgen können, kann man bei leistungsschwachen Anlagen diese Funken berühren. Man sollte sie jedoch nicht direkt, sondern mit Metall berühren, da sie sehr heiss sind und man sich ansonsten verbrennt. Der Körper nimmt dennoch die Energie auf, was dazu führt, dass man bei größeren Anlagen den Funken nicht anfassen sollte, weil das dann schon tödliche Folgen haben kann. Desweiteren entstehen durch den Funken Ozon und Stickoxide, also sollte eine ausreichende Belüftung vorhanden sein.
Benjamin: Noch eine Frage zum Schluss: Ist Teslas Vision der freien Energieübertragung in der heutigen Forschungswelt noch präsent? Werden wir irgendwann die lästigen Stromkabel los sein?
Daniel: Die Vision wurde nicht aufgegeben. Am MIT, der Universität bei Cambridge, wurden letztes Jahr Versuche durchgeführt, bei denen man über zwei Meter entfernte 60-Watt-Glühbirnen zum Leuchten gebracht hat. Da steckt immer noch die Idee dahinter, irgendwann mal kabellose Energie zu ermöglichen. Die Idee lebt weiter.
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Wer die Tesla-Spulen einmal in bewegten Bildern erleben möchte findet unter den unten genannten Adressen auf YouTube ausgestellte Videos:
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