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Nikola Tesla

Wer war Nikola Tesla?

Nikola Tesla, geboren am 10. Juli 1856 in Smiljan, damals Teil des österreichischen Kaiserreichs (heute Kroatien), war ein visionärer Physiker, Erfinder und Elektroingenieur. Er ist vor allem für seine bahnbrechenden Beiträge zur Entwicklung der Elektrotechnik und seine Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus bekannt.
Inhaltsverzeichnis

Nikola Tesla im Alter von 35 Jahren
Abbildung 1: Nikola Tesla im Alter von 35 Jahren
Nikola Teslas Werk legte den Grundstein für die moderne Wechselstromversorgungstechnik, die heute weltweit verwendet wird. Seine Erfindungen, wie der Wechselstromgenerator und der Tesla-Transformator, revolutionierten die Art und Weise, wie elektrische Energie erzeugt und übertragen wird. Diese Technologien ermöglichen die effiziente Übertragung von Elektrizität über grosse Entfernungen und bilden die Basis für das heutige Stromnetz.
Für Käufer von Magneten ist besonders Nikola Teslas Arbeit auf dem Gebiet des Elektromagnetismus von Bedeutung. Er experimentierte mit magnetischen Feldern und entdeckte die Rotationsmagnetfelder, die für die Entwicklung von Wechselstrommotoren unerlässlich sind. Diese Motoren nutzen die Prinzipien des Elektromagnetismus, um mechanische Energie zu erzeugen, und spielen eine zentrale Rolle in vielen modernen Geräten.
Nikola Tesla war auch ein Pionier in der drahtlosen Kommunikation und strebte an, drahtlose Energieübertragung zu realisieren. Obwohl viele seiner ambitionierteren Projekte, wie der berühmte Wardenclyffe-Turm, der Schiffe auf dem Meer von Land aus mit elektrischer Energie versorgen sollte, letztendlich nicht erfolgreich waren, legten seine Forschungen dennoch das Fundament für spätere Entwicklungen in der drahtlosen Technologie.
Sein Einfluss erstreckt sich weit über die Elektrotechnik hinaus und inspiriert bis heute Innovatoren in verschiedenen technischen und wissenschaftlichen Bereichen. Tesla, der oft als „der Mann, der die Zukunft erfand“ bezeichnet wird, bleibt eine Schlüsselfigur in der Geschichte der Wissenschaft und Technik und eine Inspiration für alle, die sich für die Geheimnisse des Elektromagnetismus und dessen Anwendungen interessieren.
Nikola Tesla war ein Visionär, dessen Erfindungen und Ideen in ihrer Zeit weit voraus waren. Seine Arbeiten beeinflussen nicht nur die Elektrotechnik, sondern auch die Funktechnik, Robotik und erneuerbare Energietechnologien, und sein Erbe lebt in den zahlreichen Technologien fort, die er inspiriert hat.

Erfindungen von Nikola Tesla

Nikola Tesla hinterliess ein beeindruckendes Erbe an Erfindungen, die bis heute einen bedeutenden Einfluss auf unsere moderne Welt haben. Seine Kreativität und Innovationskraft führten zur Entwicklung mehrerer Schlüsseltechnologien, die in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Seine wichtigste Erfindung ist das Wechselstromsystem, das sowohl den Wechselstromgenerator als auch die nötigen Transformatoren und Wechselstrommotoren umfasst. Zu seinen bedeutendsten Erfindungen gehören:
Wechselstromsysteme: Nikola Tesla ist vielleicht am bekanntesten für seine Arbeit an Wechselstromsystemen (englisch alternating current, abgekürzt AC). Diese umfassen den Wechselstromgenerator, Transformatoren und den Wechselstrommotor. Diese Erfindungen bildeten die Grundlage für das heutige Stromnetz und die Stromversorgung. Die effiziente Übertragung von Elektrizität über lange Strecken wurde erstmalig möglich.
Die Tesla-Spule: Eine von Nikola Teslas bemerkenswertesten Erfindungen ist die Tesla-Spule (siehe Abbildung 2), ein Hochfrequenz-Transformator, der in der Lage ist, sehr hohe Spannungen zu erzeugen. Diese Spulen werden heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Funktechnik und in der Unterhaltungselektronik. Sie demonstrieren auch eindrucksvoll die Prinzipien der drahtlosen Energieübertragung.
Funktechnologie: Tesla trug wesentlich zur Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnik bei. Seine Experimente und Theorien ebneten den Weg für die spätere Entwicklung des Radios. Obwohl Guglielmo Marconi für die Erfindung des Radios bekannt ist, war es Nikola Tesla, der die grundlegenden Prinzipien der drahtlosen Signalübertragung erforschte.
Ferngesteuerte Boote: Tesla experimentierte mit der drahtlosen Fernsteuerung und demonstrierte dies durch ein ferngesteuertes Boot, das als eines der ersten Beispiele für ferngesteuerte Technologie gilt. Diese Innovation legte den Grundstein für die moderne Robotik und Fernsteuerungstechnik.
Die dynamische Theorie des Gravitationsfeldes: Obwohl weniger bekannt, entwickelte Tesla auch eine eigene Theorie zum Gravitationsfeld, die sich jedoch von Einsteins Relativitätstheorie unterschied. Nikola Teslas Ansichten in diesem Bereich blieben grösstenteils spekulativ und wurden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht weitgehend anerkannt.
Konzepte für erneuerbare Energien: Tesla dachte auch über erneuerbare Energiequellen nach und experimentierte mit Konzepten zur Nutzung von Sonnen- und Windenergie, was seine Vision und sein Verständnis für zukünftige Energietechnologien unterstreicht.

Zwei besondere Beispiele: Der Induktionsmotor und der Tesla-Transformator

Der Induktionsmotor

Nikola Teslas Erfindung des Induktionsmotors im späten 19. Jahrhundert war eine besonders bedeutsame Entwicklung in der Geschichte der Elektrotechnik. Der Induktionsmotor war eine der ersten effizienten Methoden, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Der Induktionsmotor besteht aus einem stationären Teil, dem Stator, und einem drehbaren Teil, dem Rotor. Der Stator erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das durch Wechselstrom gespeist wird. Dieses Magnetfeld induziert dann einen Strom im Rotor, der aufgrund des elektromagnetischen Induktionsprinzips eine Drehbewegung erzeugt. Teslas Induktionsmotor war besonders deshalb revolutionär, da er keine Bürsten oder direkte elektrische Verbindung zum Rotor benötigte, was ihn zuverlässiger und wartungsärmer machte als frühere Motorentypen. Dies war besonders wichtig für die industrielle Anwendung, da der Motor unter härteren Bedingungen und über längere Zeiträume hinweg laufen konnte. Die Einführung des Induktionsmotors trug massgeblich zur Akzeptanz von Wechselstromsystemen bei. Seine Effizienz und Zuverlässigkeit machten ihn ideal für zahlreiche Anwendungen, von kleinen Haushaltsgeräten bis hin zu grossen industriellen Maschinen.

Der Tesla-Transformator

Der luftgekoppelte Tesla-Transformator besteht aus einer Tesla-Spule als Sekundärkreis, die einen Torus als Kapazität trägt (siehe Abbildung 2) und an einen Primärkreis mit hoher Kapazität und einer Funkenstrecke gekoppelt ist. Dieses Gerät ist bekannt für seine Fähigkeit, sehr hohe Spannungen bei niedrigen Strömen zu erzeugen, was zu spektakulären visuellen Effekten wie langen elektrischen Funken führen kann (Abbildung 3).
Das Grundprinzip des Tesla-Transformators basiert auf Resonanz. Der Transformator besteht typischerweise aus zwei Teilen: einem Primär- und einem Sekundärkreis. Jeder dieser Kreise bildet einen LC-Schwingkreis (Induktivität L und Kapazität C).
Schematisches Darstellung des Tesla-Transformators
Abbildung 2, links: Schematisches Prinzip des Tesla-Transformators, in dem eine Primärspule mit sehr wenigen Windungen an eine Sekundärspule mit sehr vielen Windungen und einem Torus als Kondensator auf der Spule angekoppelt wird. (Quelle: Biezl, Public domain, via Wikimedia Commons) Rechts: Langzeitbelichtung der Entladungen eines Tesla-Transformators. (Quelle: kkiks_, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons, unverändert)

Der Primärkreis

Der Primärkreis enthält eine Funkenstrecke – eine Vorrichtung, die bei Erreichen einer bestimmten Spannung einen Funken und damit einen elektrischen Durchschlag erzeugt. Diese Funkenstrecke dient als eine Art Schalter, der den Primärkreis periodisch schliesst (für die Zeitdauer des Funkens) und dann wieder unterbricht. Für den kurzen Moment des Funkenüberschlags oszilliert dann der Primärkreis mit seiner Eigenfrequenz (typischerweise 50 – 500 kHz).

Der Sekundärkreis

Der Sekundärkreis ist so konstruiert, dass er eine natürliche Resonanzfrequenz hat, die der des Primärkreises möglichst exakt entspricht. Durch die Luftkopplung wird das oszillierende Magnetfeld des Primärkreises auf den Sekundärkreis übertragen. Wenn die Frequenzen beider Kreise übereinstimmen (Resonanzfall), wird Energie effizient vom Primär- zum Sekundärkreis übertragen. Im Sekundärkreis befindet sich eine Tesla-Spule mit einer enormen Zahl von Windungen. Dadurch entstehen bei Resonanz extrem hohe Spannungen im Sekundärkreis. Diese hohen Spannungen können elektrische Entladungen in die umgebende Luft erzeugen, die als lange, tanzende Funken sichtbar sind (Abbildung 2 und 3).
Fotografie von Nikola Tesla in seinem Labor mit Tesla-Transformator
Abbildung 3: Nikola Tesla in seinem Labor, Langzeitbelichtung mit einem Tesla-Transformator bei der Arbeit. (Quelle: Fotograf: Dickenson V. Alley, wiederhergestellt von Lošmi, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons, unverändert)

Die physikalische Einheit Tesla für die magnetische Flussdichte

Die physikalische Einheit Tesla (T) ist ein Mass für die magnetische Flussdichte B in der Elektrodynamik. Sie ist nach Nikola Tesla benannt, als Anerkennung seiner Beiträge auf dem Gebiet des Elektromagnetismus. Ein Tesla definiert die Stärke eines Magnetfelds, das einen Quadratmeter Fläche \(A\) mit einem magnetischen Fluss \(Φ\) von einem Weber (Wb) durchdringt. Formal ausgedrückt entspricht ein Tesla einem Weber pro Quadratmeter (1 T = 1 Wb/m²):

\(B = Φ/A\)
Die physikalische Einheit Tesla ist nicht nur in der Physik, sondern auch in technischen Anwendungen von grosser Bedeutung. Sie wird verwendet, um die Stärke von Magnetfeldern zu messen, wie sie in Magnetresonanztomografen (MRT) in der Medizin, in Teilchenbeschleunigern in der Forschung und in vielen anderen elektromagnetischen Geräten vorkommen.
Ein Tesla ist eine relativ grosse Einheit; Magnetfelder im alltäglichen Leben, wie das Erdmagnetfeld, werden üblicherweise in Mikrotesla (µT) gemessen. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat eine Stärke von etwa 50 µT, während medizinische MRT-Geräte oft mit Feldern im Bereich von 1,5 bis 3 T arbeiten. Es ist allerdings nicht einfach, sehr hohe Magnetfelder zu erzeugen. Durch implodierende Spulen können die magnetischen Feldlinien kurzzeitig hoch verdichtet werden. Der Rekord wurde 2018 mit einer implodierenden Spezialkonstruktion aus einer massiven Kupferspule erreicht, die für wenige Millisekunden 1200 Tesla lieferte. (Quelle: D. Nakamura, A. Ikeda, H. Sawabe, Y. H. Matsuda, and S. Takeyama, Review of Scientific Instruments 89, 095106 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5044557).
Umso beeindruckender ist es, dass grosse Neodym-Permanentmagnete (wie es sie bei supermagnete.ch zu kaufen gibt) bereits über 1 Tesla Remanenz aufweisen und mehrere hundert kg Abreisskräfte halten können.



Portrait von Dr. Franz-Josef Schmitt
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt


Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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