Construction d'une bobine de Tesla

• Vincent Dupuis

• Maximilien Bowen
• Mathieu Moog

Ce projets est lié à un stage dans le cadre d'une UE de L3 en Physique Fondamentale. Ce projet utilise de la Haute Tension

Le but de ce projets est de réaliser une bobine de Tesla, qui est en fait un ensemble de deux circuits electriques couplés par induction qui sont en résonance permettant de créer des hautes, voir très hautes tensions. Cet appareil est aujourd'hui principalement utilisé dans des expositions du fait qu'il permet de faire des éclairs assez spectaculaires.

Le principe de base est relativement simple, la bobine de Tesla est composé de en gros deux circuits RLC series (primaires et secondaires) liés par l'induction mutuelle entre les bobines de chaque circuit.

Un circuit d'alimentation (composé dans notre cas d'un transformateur 220V-8kV couplé à un éclateur) permet d'alimenter le circuit primaire en voltage et à la bonne fréquence. Un éclateur de secours permet de protéger le transformateur contre un éventuel retour de tension pouvant l'endommager.

Le circuit auxiliaire est branché en parallèle avec le circuit RLC série. Ce circuit contient un gros Condensateur et une petite bobine, sont but est d'avoir périodiquement une grosse intensité circulant à l’intérieur pour induire un gros voltage dans le secondaire par induction. En général la bobine a du coup une faible inductance et un nombre de tours relativement faible voir très faible (également pour fournir un volage élevé). Il arrive souvent de voir des formes particulières pour les formes des bobines primaires, notamment en cône ou en parabole, forme qui maximiserait le flux de champ magnétique à travers la seconde bobine.

Le second circuit est celui qui va générer les éclairs. En général il est constitué d'une bobine avec une assez grosse inductance, et en pratique il s'agit d'un solénoïde à très gros nombre de spire. C'est sur ce solénoïde qu'est en général situé un petit condensateur, soit un tore, soit une sphere, d'où partiront les éclairs.

En résumé le circuit à la forme suivante:

SchémaCircuitàvenir

Et à la tête suivante en pratique:

photoàvenir

• Transformateur 220V-8kV (élévation du voltage pour le circuit primaire)
• Cuivre (réalisation des bobines)
• Tube de PVC (support de la bobine secondaire)
• 1m de batonnet de bois (support de la bobine bobine primaire et éclateurs)
• Grillage en métal (cage de Faraday)
• Clous (petits pour la structure, gros pour l'éclateur de secours)
• Saladiers en métal (condensateurs bobine secondaire)
• 6 bouteilles de jus de pomme en verre (pour les condensateurs primaires)
• Barres d'aluminium (structure cage de Faraday)

• Le “bas” voltage du primaire est létal, il ne faut donc surtout pas y toucher quand la bobine est en fonctionnement.
• Tous les composants de la bobine doivent être proprement mis à la terre pour éviter d'éventuels problèmes.
• Les condensateurs du primaires et du secondaires doivent être déchargés avant toute manipulation, peut importe la durée depuis la dernière manipulation (ces condensateurs peuvent accumuler des charges de façon diverses).
• La bobine de Tesla doit impérativement être utilisés sous sa cage de Faraday fermée par le bas, les arcs électriques ne font pas bon ménage avec le corps humain.
• Le Transformateur ne doit JAMAIS être branché directement sur le secteur, il est impératif d'utiliser le variac.
• L'utilisation de la bobine doit se faire en présence d'un enseignant, a la limite d'un responsable ayant une bonne formation ou une bonne expérience dans la manipulation des hautes tensions.
• Pour le cas ou la bobine est utilisée sans sa cage, se tenir près de la bobine peut être dangereux du fait que l'ionisation de l'air peut faire des chemins entre vous, le circuit primaire et la Terre, ce qui serait mortel.

• Les arcs de la bobine secondaires sont très capable de produire des brûlures sur la peau. Les dommages seront alors principalement internes et se feront sentir sur le long terme.

• La bobine peut induire des courants dans tout ce qui est métallique. Il ne faut donc surtout pas toucher tout métal à la même terre que celle de la Bobine.
• Les appareils électriques (ordinateurs, etc…)
• Le secondaire peut accumuler des charges statiques pendant l'utilisation de la bobine, il est donc nécessaire de décharger ces éléments avant de les manipuler après une manipulation.
• Il ne faut surtout pas brancher la terre de la Bobine Tesla sur des tuyaux d'alimentation en eau qui sur lesquels les autres appareils du labo ou de la structure ou la Bobine est allumés sont branchés.
• La bobine peut aussi émettre des effets corona qui peuvent être dangereux pour les humains.

• Les arcs de la bobine ionisent l'air, ce qui produit des composés chimiques peu appréciés par le corps humain, notamment l'Ozone et l'oxyde nitreux (gaz hilarant), il ne faut donc pas faire fonctionner la bobine sur de longue durée (ce qui est de toute façon une mauvaise idée) et il faut veiller à ce que l'endroit ou on l'utilise ait une ventilation correcte.

• Si on a assez peu de données sur les rayons X (à priori assez peu sont produits sans tube à vide ou équipement pour), il faut quand même rester prudent et éviter de s'exposer trop et trop longtemps au rayonnement, encore une fois, la bobine de Tesla ne doit pas être utilisée sur des temps longs.
• Pour les rayons UV qui peuvent endommager irrémédiablement et rapidement les yeux, il faut éviter de regarder trop les arcs.

• La bobine de Tesla peut éventuellement émettre des ondes radio-fréquences si elle n'est pas correctement mise à la terre. Pour éviter cela il faut améliorer la mise à la Terre, ou rajouter un appareil en série pour améliorer la qualité du courant.

• Les risques de départ de feu sont présent lors de la réalisation d'une bobine tesla et peuvent provenir d'un grand nombre de sources (effet corona, induction, etc…). Il faut donc tenir éloigné de la bobine tout élément pouvant prendre feu suite à une étincelle.
• De plus la bobine chauffe pas mal, il faut donc éviter d'utiliser d'utiliser comme élément de structure des plastiques qui ne résistent pas bien à la chaleur.
• Le même genre de protection s'impose pour éviter les explosions.

• La bobine de Tesla ne doit pas être utilisable par un utilisateur peu expérimenté ou non formés aux différents risques inhérents.
• Il faut toujours mieux être plusieurs lors de l'utilisation d'une bobine, pour éviter que d'éventuels problèmes n'aient de trop grosses conséquences.

L

• Tesla-Coil Mailing-List: Un site très complet sur les risques de sécurité, la mailing list est très fournie et très utile.
• Tesla-Coil France: Un site assez complet avec des explications sur la théorie du fonctionnement de la bobine
• TC-lab: Un site avec un très bon fichier excel faisant les calculs pour facilitant le montage de la bobine.
• Java TC: Un ensemble d'applications Javascripts utiles pour calculer les capacités des condensateurs en bouteille de Leyde et autres paramètres de la bobine.
• EEA Bordeaux 1: pdf très détaillé sur tous les aspects du fonctionnement de la Bobine par l'EEA (Electronique Electrotechnique Automatique) de l'université de Bordeaux 1