Bobine Tesla

La bobine Tesla ou transformateur de Tesla est une machine électrique fonctionnant sous courant alternatif à haute fréquence et permettant d'atteindre de très hautes tensions.



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Bobine Tesla servant de simulateur d'éclairs au Questacon - National Science and Technology centre à Canberra en Australie.

La bobine Tesla ou transformateur de Tesla est une machine électrique fonctionnant sous courant alternatif à haute fréquence et permettant d'atteindre de très hautes tensions. Elle porte le nom de son inventeur Nikola Tesla. L'appareillage consiste en deux, ou alors trois circuits de bobinages couplés et accordés par résonance. Il n'y a pas de noyau métallique comme dans les transformateurs électriques classiques : c'est un transformateur à noyau d'air.

Les premières données écrites proviennent de Colorado Springs Notes[1] sorte de cahier technique journalier où Nikola Tesla a inscrit ses annotations, non pour un lecteur mais pour lui-même.

Depuis 1994[2], des centaines d'amateurs curieux ont construit leur transformateur de Tesla, et des perfectionnements importants sont à l'origine de montages efficaces et de qualité[3]. Les matières plastiques, les résines époxydes, les condensateurs à haute tension fonctionnant en régime impulsionnel, l'utilisation de l'informatique pour l'optimisation des calculs, les forums de discussion sur l'Internet ont contribué à rendre populaire cet appareillage découvert il y a un siècle.

Composants du montage

Circuit avec éclateur est en série avec le secondaire du transformateur d'alimentation.
Circuit avec éclateur est en parallèle avec le secondaire du transformateur d'alimentation.

Fonctionnement

Photographie d'arcs électriques génèrés par une bobine de Tesla.

Nikola Tesla a cherché à obtenir du transformateur à résonance une double élévation de tension en bénéficiant d'une part du rapport de transformation lié à l'inégalité du nombre de spires au primaire et au secondaire, et d'autre part du cœfficient de surtension qui caractérise un circuit réglé à résonance[4].

Une fois mis sous tension, le dispositif d'alimentation charge le condensateur. Quand la différence de potentiel aux limites de ce dernier est suffisante, un arc électrique traverse l'éclateur et le condensateur se décharge dans la maille contenant la bobine primaire. C'est une décharge oscillante amortie intense ainsi qu'à haute fréquence : on obtient ainsi dans la bobine primaire un courant alternatif à haute fréquence et haute intensité.

Comme tout solénoïde parcouru par un courant, selon les lois de l'induction magnétique, la bobine primaire produit un champ électromagnétique dans le milieu qui l'entoure. Ce champ est lui aussi intense et fluctue à haute fréquence. L'importante variation de flux à travers la bobine secondaire va induire aux limites de celle-ci une différence de potentiel proportionnelle au rapport des nombres de spires des bobines secondaire et primaire (voir le fonctionnement du transformateur monophasé).

L'étape principale du réglage de l'appareil consiste à obtenir la résonance entre la fréquence du circuit primaire et celle du circuit secondaire. Ce réglage, obtenu en augmentant ou diminuant la longueur de la spirale du primaire, est délicat car les champs électromagnétiques générés par les deux bobines sont perceptibles à distance (par exemple bobiner les câbles d'alimentation peut avoir une influence sur le comportement du circuit).

Une fois la résonance atteinte, la tension induite aux limites de la bobine secondaire est maximale (plusieurs milliers de volts ou alors plusieurs millions pour les grands modèles). Comme ces tensions sont supérieures à la rigidité diélectrique de l'air, des arcs électriques vont jaillir de l'électrode terminale dans l'ensemble des directions.

En dehors de son intérêt théorique et pédagogique, cette invention ne connaît, actuellement, qu'une application pratique : les effets spéciaux dans le monde du spectacle.

La résonance électrique

Ce qui suit doit être imaginé dans la bobine secondaire du transformateur de Tesla (ou dans l'Extra Coil d'un Magnifier).

Les oscillations de haute fréquence impliquées dans le transformateur de Tesla sont toujours de nature électrique et surviennent au sein des conducteurs (presque toujours en cuivre). La nature du conducteur est telle que chaque longueur donnée du fil de bobinage a une résonance électrique propre. Sa fréquence est donnée, approximativement, en divisant la vitesse de la lumière par la longueur du conducteur et est dépendante de deux propriétés intrinsèques que sont son inductance et sa capacitance. Théoriquement, quand un fil de bobinage résonne à sa fréquence naturelle, deux pics et trois nœuds de voltage se produisent sur la longueur du conducteur comme dans une onde sinusoïdale idéale. De même trois pics et deux nœuds de courant sont aussi présents, mais avec un déphasage de 90 degrés. Quand un fil de cuivre isolé est enroulé en spires jointives, son inductance est modifiée par les champs magnétiques qui règnent autour du fil et interagissent entre eux. La conséquence est un ralentissement de la propagation de l'énergie électrique le long de l'enroulement de fil conducteur et une modification de la fréquence naturelle de résonance qui change selon que le câble est droit ou bobiné. Un gain d'inductance accompagne le passage d'un fil tendu linéaire à une forme enroulée plus courte compacte et ramassée.

Si nous induisons particulièrement rapidement une quantité d'énergie électrique dans un bobinage de spires jointives, positionné horizontalement dans un espace parfait (sans risque d'interférences), il va résonner à sa fréquence naturelle de résonance (ressemblance approximative d'un coup bref donné sur une cloche). Des nœuds et des pics de voltage vont apparaître le long du fil. Il va tendre à osciller à sa résonance naturelle en demi longueur d'onde, et chaque extrémité du bobinage sera le siège d'un pic de voltage (V= Vmax) tandis qu'un point nodal (V = 0) existera précisément en son milieu.

Si cependant, la base du bobinage est mise à la terre, elle sera le siège forcé d'un point nodal et le bobinage oscillera en quart d'onde. Ces conséquences seront majorées si l'énergie est pulsée dans le bobinage à sa fréquence exacte de résonance. L'effet est nommé cœfficient de surtension par résonance et le bobinage est un résonateur hélicoïdal. Une onde stationnaire apparaît sur le résonateur classique en quart d'onde qui possède un pic de courant à sa base (I = Imax) (ou point de mise à la terre) et un nœud de courant au sommet du bobinage (I = 0) [5]. De même, il existe un point nodal de voltage à la base (mise à la terre) du bobinage et un pic de voltage à son sommet.

Le transformateur Tesla à 3 bobines

Transformateur Tesla à trois bobines.

Il y a plusieurs manières d'introduire de l'énergie électrique dans un résonateur hélicoïdal résonant en quart d'onde. On peut coupler l'énergie par induction. C'est ce qui se fait dans les transformateurs de Tesla classiques, avec un circuit primaire accordé sur la fréquence en quart d'onde du résonateur qui est dans ce cas, le bobinage secondaire. On peut aussi coupler directement l'énergie dans le résonateur en l'injectant directement à la base du bobinage. C'est le principe du magnifier (terme anglais qui peut se traduire par grossisseur selon la métaphore d'une loupe ou lentille optique grossissante). Deux enroulements vont fonctionner comme un transformateur à haute fréquence et élévateur de tension. Le troisième (Extra Coil en anglais) recevra l'énergie à sa base (par un tube de cuivre tendu entre le secondaire et lui) et l'électrode torique sera au sommet de l'Extra Coil. Cette dernière méthode est indiscutablement la meilleure pour faire fonctionner un transformateur Tesla. Nikola Tesla a abandonné l'ensemble des expérimentations avec le système à deux bobines avant même de venir s'installer à Colorado Springs.

Synergie et harmonie

La résonance, dans un transformateur de Tesla, est un simple phénomène physique, reproductible et scientifiquement explicable. Si cette résonance peut être facilement atteinte, un fonctionnement idéalement synergique de l'ensemble des composants reste complexe. Un bon bricoleur (Tesla Coiler) peut obtenir des éclairs à haute fréquence aussi longs que la hauteur du bobinage secondaire. Les débutants arrivent rarement à la moitié de cette longueur. Les expérimentateurs chevronnés qui arrivent à bien connaître (sentir ?) leur montage, peuvent génèrer des éclairs qui sont plus longs que la hauteur du secondaire. L'art de la construction de ces installations implique des progrès en paliers, en serrant de mieux en mieux l'harmonie des composants et des conditions des expériences. On parle ici du facteur Q (pour Qualité)  : de bons composants et de bons matériaux ne suffisent pas. L'ensemble des aspects de la construction doivent être revisités et perfectionnés. Le transformateur élévateur de tension est-il assez puissant (il faut au moins 5 kW pour obtenir des arcs de deux à trois mètres de long)  ? L'électrode torique est-elle assez large pour retenir le voltage à des valeurs suffisantes (mais pas trop, sinon cette décharge ne se produit pas)  ? Le couplage entre le primaire et le secondaire est-il correct ? Les deux enroulements sont concentriques, mais la position plus ou moins haute du secondaire sur le primaire est essentielle (couplage). L'ou les condensateurs du circuit de puissance sont-ils bien adaptés à l'alimentation haute tension ?

Version pilotée par semi-conducteur

Entre 1970 et 1980, des expérimentateurs amateurs ont essayé d'utiliser des semi-conducteurs pour remplacer l'éclateur à arc soufflé. À petite puissance, en utilisant le circuit THT des téléviseurs, ils ont pu alimenter, en régime non pulsé, des résonateurs de Tesla avec de modestes résultats. Les semi-conducteurs de puissance sont devenus moins chers et plus solides et la technologie à semi-conducteurs a pu progresser sans prétendre aux performances des dispositifs électromécaniques. Les systèmes n'alimentaient directement que la base du secondaire (résonateur). Vers 2002, un étudiant américain appelé Jimmy Hynes fait avancer le concept en réalisant un oscillateur qui alimente en régime pulsé le primaire d'un transformateur de Tesla. En 2004 Daniel McCauley porte le concept à maturité avec de nouvelles générations de DRSSTC (Double Resonant Solid Tesla Coil).

Équations principales

Formule de Wheeler pour l'inductance.

Sécurité et mises en garde

Dans la fiction

Les bobines Tesla sont quelquefois utilisées dans des œuvres de fiction, surtout dans divers jeux vidéo comme arme offensive ou défensive. Elles fonctionnent le plus souvent par l'envoi d'arcs électriques sur les ennemis que le joueur doit combattre, électrocutant ou carbonisant la cible par ses décharges destructrices. Parmi les jeux les plus connus, on peut citer Command & Conquer : Alerte rouge, Tomb Raider : Legend, Return to Castle Wolfenstein, TimeSplitters : Future Perfect ou encore World of Warcraft, contre le boss appelé Thaddius. Dans le jeu PS2 "Les Sims : Permis de sortir" se trouve une bobine Tesla au milieu du labo.

On nous en parle dans la mini-série Mysteries Of The Universe, trailers de la saison 6 de LOST. Dans l'épisode 3, on nous dit que l'initiative Dharma aurait commandé des bobines Tesla.

Il est aussi fait référence à la bobine de Tesla dans le film The prestige où elle est utilisé comme une machine pour cloner les objets et les êtres vivants.

Notes et références

  1. (en) Nikola Tesla, Colorado Springs Notes—1899-1890, A. Marincic, Nolit, 1978.
  2. (en) http ://www. pupman. com/ Tesla coil Mailing List
  3. Construction du transformateur Tesla
  4. J. Cazenobe, Directeur de recherche au C. N. R. S, dans la postface de l'édition française de Margaret Cheney, Tesla, la passion d'inventer, Belin, 1987
  5. (en) Richard Hull, The Tesla Coil Builder's Guide to the Colorado Springs Notes of Nikola Tesla, octobre 1996.
  6. . http ://www. who. int/peh-emf/fr/ OMS Champs électromagnétiques

Voir aussi

Liens externes

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