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une bobine tesla
J’ai récemment construit ma première bobine Tesla de 3 V et produisant en sortie une tension de l’ordre de 20 000 à 30 000 volts. Elle est capable de produire des arcs électriques d’un centimètre, d’illuminer un tube fluorescent à distance et sans contact et même de transformer une vieille lampe en boule plasma !

Le tutoriel pour s’en faire une a été pris sur Youtube. Ce que je vais faire ici, c’est simplement vous parler de la physique derrière cet appareil, ainsi que des applications que Nikola Tesla voyait en son époque pour cet appareil.

Tension et champ électriques

Une bobine Tesla est un appareil électrique bien connu pour pouvoir produire des arcs électriques dans l’air.

L’air est un isolant électrique.
Comme tout isolant, il possède une « rigidité diélectrique » : une tension limite au delà de laquelle l’isolant devient conducteur. Cette limite est aux alentours de 36 000 V/cm pour l’air sec. Cela signifie que si l’on applique une différence de potentiel de 36 000 volts à deux électrodes distantes de 1 cm, alors il se formera un arc entre les électrodes et le courant passera dans l’air.

Réciproquement, si vous voyez un arc électrique de 1 cm dans l’air sec, vous savez que la différence de potentiel entre les deux extrémités de l’arc est d’environ 36 000 V. Pour un arc de 2 cm la différence de potentiel est de 72 000 V. Ces tensions sont plus basses pour l’air humide, comme c’est généralement le cas, mais restent très élevées : environ 10 000 V/cm pour l’air saturé d’un temps pluvieux.

Les grandes bobines Tesla produisent des arcs de plusieurs mètres de long. On peut en déduire qu’elles produisent des potentiels d’environ 1 à 3 millions de volts ! Ma bobine Tesla ne monte pas si haut en tension et ses arcs ne dépassent pas 1 cm. La tension produite est donc environ 20 à 30 000 volts, ce qui reste énorme si l’on considère qu’elle n’est alimentée que par deux simples piles !

En réalité, la bobine Tesla est un transformateur électrique à double élévation de tension :

  • une première élévation de tension due au fonctionnement même d’un transformateur électrique
  • une seconde élévation de tension due à l’amplification par un effet de résonance électrique (et c’est là la touche que Nikola Tesla a ajouté au principe du transformateur, et qui permet d’atteindre de très hautes tension).

Le transformateur électrique

Description

Il y a des transformateurs électriques partout chez vous : que ce soit dans votre installation EDF pour transformer le 20 000 V du réseau en 230 V domestique, dans le boîtier d’alimentation de votre PC pour transformer le 230 V en 18 V, dans votre chargeur de téléphone transformant le 230 V en 5 V, ou dans le four à micro-ondes, pour transformer le 230 V en 3 000 V.

Vous le comprendrez : un transformateur permet d’abaisser ou d’augmenter la tension électrique. L’énergie dans un circuit étant conservée, un transformateur abaisseur de tension va augmenter l’intensité. Vice versa, un transformateur élévateur de tension va diminuer l’intensité.

La bobine Tesla que j’ai chez moi transforme du 3 V en 30 000 V. La tension est donc multipliée par 10 000. L’intensité est quant à elle divisée par 10 000.

En réalité, ma bobine Tesla dans son ensemble comporte un circuit tout fait, récupéré dans une tapette à mouche électrique : ce circuit fonctionne avec 3 V et produit en sortie 1 200 V continu. Ce circuit est un transformateur en soi, mais il fonctionne avec des composants que Nikola Tesla n’avait pas à son époque (diodes, transistors…). On va donc l’écarter et simplement considérer que la bobine Tesla fonctionne en transformant les 1 200 V continu en entrée en 30 000 V alternatif en haut de la grande bobine. La partie « Tesla » de l’ensemble multiplie donc les tensions d’un facteur 25 environ.

Fonctionnement

Le fonctionnement d’un transformateur électrique classique est toujours la même : on utilise deux bobines électriques, une première avec peu d’enroulements (on parle de spires) : c’est la bobine primaire ; et une seconde avec beaucoup de spires : c’est la bobine secondaire. Quand un courant passe dans la bobine primaire, cela va y induire un champ magnétique. Quand on place la bobine secondaire à proximité (ou même dedans), alors ce champ magnétique va induire un courant électrique dans la bobine secondaire.

Même sans être reliées, l’énergie est transmise d’une bobine à l’autre, passant à travers l’air sous la forme d’un champ magnétique imperceptible et invisible.

Le nombre de spires des bobines est déterminant dans le facteur d’élévation (ou d’abaissement) de la tension entre le primaire et le secondaire. Ainsi, si le primaire comporte $N_1 = 10$ spires et est alimenté par une tension $U_1 = 3 V$, alors la bobine secondaire, si elle possède un nombre $N_2 = 1 000$ spires, alors elle aura à ses bornes une tension électrique $U_2$ de $300 V$.

On montre que le rapport du nombre de spires est aussi le rapport liant les tensions, et pour être complet, ce rapport lie aussi (de façon inverse) les intensités $I_1$ et $I_2$ traversant les deux bobines :

$$\frac{N_2}{N_1} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{I_1}{I_2}$$

De cette manière, en fonction du nombre d’enroulements d’une bobine, on peut obtenir n’importe quelle tension électrique à partir de n’importe quelle autre.

Le plus souvent, les bobines ne sont pas placées l’une dans l’autre, mais sont toutes les deux enroulées autour d’un même empilement de feuilles de fer, appelé « noyau de fer doux » :

schéma d’un transformateur
Schéma d’un transformateur électrique abaisseur de tension (image)

Ce noyau métallique est là pour conduire le champ magnétique et réduire les pertes d’énergie. Le couplage entre les bobines est alors meilleur, l’ensemble a un meilleur rendement et moins d’énergie est rayonné dans l’air.

Notre bobine Tesla 3 V

Schéma de base

Notre bobine Testa, si on l’on considère une alimentation primaire de 1 200 V comporte un circuit avec quatre composants :

Sont en série :

  • l’alimentation électrique (1 200 volts) ;
  • un condensateur (la vidéo nous dit d’en mettre 3, mais l’ensemble constitue une capacité équivalent à un seul condensateur) ;
  • une bobine avec peu de spires : le primaire.

Est branchée en dérivation sur l’ensemble { condensateur + bobine primaire } :

  • un éclateur à arc (deux électrodes séparées par 1 millimètre d’air).

On obtient ce schéma électrique :

primary circuit DC tesla coil
Circuit électrique de la base de la bobine Tesla (source)

Cet ensemble fonctionne de deux façon : en charge, puis en décharge, alternativement.

En charge, c’est l’alimentation qui recharge le condensateur à travers la bobine primaire (cette dernière reste relativement inerte à ce stade). Quand le condensateur a emmagasiné suffisamment d’énergie, la tension aux bornes des électrodes de l’éclateur à arc est trop forte et un arc électrique de plusieurs milliers de volts jaillit, fermant le circuit par l’éclateur à arc : c’est la décharge. Le condensateur se vide alors rapidement dans la bobine primaire, qui produit un champ magnétique très bref mais intense :

charge et décharge dans le circuit primaire
Cette succession charge-décharge se produit de façon répétée et très rapide. En fonction de l’écart entre les deux électrodes, la tension nécessaire pour amorcer l’arc est plus ou moins faible. Quand on utilise une alimentation alternative (comme le prévoyait Tesla), alors cette succession de charge-décharge se produit plusieurs fois à chaque alternance du courant, produisant un courant alternatif à haute fréquence et haute tension.

Une première élévation de tension

On peut désormais considérer la bobine secondaire, que l’on place dans la bobine primaire. On obtient alors un transformateur électrique tout simple :

le circuit complet de la bobine Tesla
Avec ça, les milliers de volts emmagasinés par le condensateur puis relâchés d’un seul coup dans le primaire se transforment en une dizaines de milliers de volts aux bornes du secondaire, suffisant donc pour produire des arcs électriques visibles !

Cependant, même en considérant cette importante élévation de tension, Tesla nota que l’ensemble fut relativement peu efficace. La perte d’énergie, que ce soit dans les airs sous forme de champ magnétique, ou dans les bobines étaient importantes, et le rendement final ne dépassait guère 20 %.

Il a alors adapté son circuit de façon à obtenir un rendement optimal : il chercha à obtenir un circuit résonant.

Une seconde élévation de tension, obtenue par résonance

Dans tout système oscillant, que ce soit un amortisseur de voiture, une balançoire, un ballon de basket, une onde sismique ou ici, un circuit électrique alternatif, il y a une façon optimale de transférer de l’énergie : un moyen d’obtenir des oscillations d’une très forte amplitude (et donc de forte puissance) avec des injections successives d’une quantité minimale d’énergie.

On l’observe très bien avec la balançoire : quand on s’y prend correctement, il suffit d’appliquer une force, même faible, au bon moment et elles vont s’additionner : il suffit que l’on vous pousse lorsque vous êtes au point le plus haut sur votre trajectoire, de façon répétée, et vous monterez de plus en plus haut.

Le même principe s’applique aux circuits électriques oscillant, et donc à notre bobine. Quand la bobine primaire est traversée par la décharge électrique, elle induit une brève impulsion de courant dans la bobine secondaire. Cette impulsion parcourt la bobine de bas en haut, rebondit sur le tore (le « donut » métallique en haut) puis redescend, rebondit sur la charge en alu en bas, et remonte.

S’il n’y avait qu’une seule impulsion, cette dernière finirait par se dissiper, mais nous avons ici une succession d’impulsions. Pour obtenir une résonance électrique, il faut que les impulsions du primaire se fassent au moment où passe l’onde dans le secondaire. Si ça arrive, alors on assiste à une amplification des impulsions dans le secondaire : on dit que le circuit se trouve en résonance et c’est dans cette situation que la transmission d’énergie d’une bobine à l’autre est la plus efficace, et que la tension en sortie de la bobine seconde est la plus forte.

Pour obtenir la résonance, il s’agit de régler l’ensemble des paramètres du circuit : le nombre de spires sur les bobines, leur géométrie (diamètres et hauteurs), la capacité des condensateurs et la tension d’éclat de l’éclateur à arc. Sur un circuit idéalement confectionné l’on obtient des tensions de plusieurs dizaines de milliers de volt en sortie, même si le circuit dans son ensemble n’est alimenté que par deux piles !

Évidemment, il n’est pas simple d’obtenir un circuit parfaitement réglé, et on ne peut généralement que s’approcher de quelque chose d’idéal, mais cela suffit pour produire des arcs centimétriques avec une pille, ou des arcs de plusieurs mètres sur les modèles plus gros !

Le but d’une bobine Tesla

Aujourd’hui, l’usage des bobines Tesla est limité : à part produire des éclairs pour amuser la galerie, il ne sert pas à grand chose. Tesla prévoyait cependant d’utiliser la résonance pour transmettre l’énergie sur de longues distances.

En effet, l’énergie rayonnée sous forme de champs électrique et magnétique dans les airs peut être capté par tout objet métallique à proximité. Mais là encore, la transmission d’énergie se fera de façon optimale seulement s’il y a une résonance entre l’émetteur et le récepteur.

L’idée de Tesla était donc d’avoir une tour émettrice d’un fort champ électromagnétique et que les habitants partout sur la Terre disposent d’un circuit récepteur (une bobine) précisément réglée pour résonner et amplifier le signal en minimisant les pertes.

Ce système existe pour transmettre de l’information : c’est exactement le principe d’une antenne : de la radio à la télé, en passant par le Wi-Fi, la 4G, les talkie-walkie et tout tout ce qui est « sans fil » fonctionnent avec ce principe.

Tesla souhaitait juste cette méthode pour transmettre l’énergie également (donc des transmissions de haute puissance). Malheureusement pour lui, son idée n’a pas vraiment vu le jour, faute de financement.
Il est à noter tout de même que la transmission d’énergie sans fil est aujourd’hui de plus en plus utilisée à petite échelle : pour recharger sans-fil des téléphones ou des voitures, ou encore dans le cas du paiement sans contact (technologie NFC) ou sur toute carte magnétique (carte de métro ou de bus, par exemple) : la borne émet l’énergie et la carte ne capte pour lui transmettre ses informations, évitant à la carte d’avoir à porter une batterie.

Pour aller plus loin, Tesla pensait utiliser les oscillations électriques induites dans l’atmosphère par les vents solaires — celles produisent les aurores polaires — comme source d’énergie, et ainsi la capter au sol pour avoir de l’énergie gratuite pour tous. Là également, son projet n’a jamais vu le jour, selon certains à cause de conflits et d’intérêts économiques (mais c’est surtout, à mon avis, du manque de puissance produite par l’atmosphère).

Note importante sur la sécurité

Si les intensités des arcs électriques ne sont pas dangereuses en temps normal, et qu’elle ne font généralement même pas mal (pas de choc ni même de picotement), faites tout de même attention si vous portez un dispositif style « pace-maker ».

La tension est relativement haute, et elle traverse la peau sans problèmes. L’intensité si faible suffit pour la rendre imperceptible, mais le choc de tension est là quand-même : il peut toujours endommager soit le pacemaker, soit un cœur déjà fragile. Dans ces cas là, restez à un bon mètre de l’appareil — à cause du champ électrique — quand il est allumé et ne le touchez pas.

Les champs électriques produits par une bobine Tesla, même miniature, peuvent également endommager les appareils électriques et électroniques à proximité : ordi, téléphone, console, montre, télé, carte bancaire… Faites attention à ça. Je vous conseille de vous mettre dans une pièce ou sur une table qui n’a rien de tout ça à proximité directe.

Enfin, et je le mets simplement pour la forme : je ne peux être tenu pour responsable en cas de dommage quelconques suite à ce que je présente dans cet article.

image d’en-tête de Jessica

8 commentaires

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UnPassionné wrote:

Salut à tous,

Encore un article passionnant, et expliqué de la plus brève des façons. En lisant ton article, ça glisse tout seul donc super agréable à lire :)

Pour revenir sur un point sur lequel je me pose pas mal de question.

Pourrais-tu s'il te plaît m'apporter des détails sur le fonctionnement d'une antenne émettrice/réceptrice ?

Je te serai reconnaissant. Thank you

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Le Hollandais Volant wrote:

@UnPassionné : C’est une bonne idée d’article ça !
Je mets ça en haut de la liste des articles à faire. Ça sera pour dans les prochaines semaines :)

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Lutin wrote:

Salut,
Merci encore pour ton article super intéressant comme d'habitude.
J'aimerais bien essayer de construire moi aussi ma mini-tesla😀 mais je me pose pas mal de questions :
1) Pour obtenir la résonance du circuit tu dis qu'on peut jouer sur la tension de l'eclateur à arc, cela se regle-t-il en modifiant la distance entre les électrodes ?
2) ‎En me renseignant je suis souvent tombé sur des circuits de ce type mais je ne comprends pas du tout comment ça marche si quelqu'un peut m'éclairer ?
3) ‎Et puis à propos des condensateurs j'ai crus comprendre dans ton dernier article que leur capacité ne veut rien dire sur la tension qu'ils peuvent "emmètre" une fois chargés, du coup comment choisir les condensateurs et où je peux en récupérer ?
Merci encore pour tout ton travail 😀😀

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AdnX wrote:

Article aussi clair qu'un éclair. Merci de continuer à partager le savoir.

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Le Hollandais Volant wrote:

@AdnX : Merci ! Je vais continuer :D

@Lutin : Salut !

Je réponds à tes questions dans l’ordre :

1) Oui ! Si tu fais comme dans la vidéo, une simple vis permet d’écarter ou de rapprocher les électrodes. Plus les électrodes sont écartées, plus la distance d’air à franchir est importante et plus la tension est grande. Notes que si la tension à atteindre est plus grande, il faut aussi plus de temps aux condensateurs pour se charger. La bobine tesla émet des pulses de tension, et donc des étincelles (on l’entend bien dans la vidéo). Si on rapproche les électrodes, la fréquence est plus grande.

2) Ce circuit là est un excitateur de Slayer. Il utilise une diode, une bobine et un transistor pour obtenir un courant oscillant à très haute fréquence à partir d’une tension continue. Le transistor et la diode n’existaient pas de l’époque de Tesla.
Ce circuit permet aussi d’atteindre des tensions élevées et de faire briller un tube fluorescent à distance (le « wifi de l’électricité ») mais pas de faire des étincelles.
Ce circuit est très ingénieux aussi, mais différent de la bobine tesla. Si tu veux essayer de comprendre, je te conseille de lire mon article sur le transistor avant.

J’ai voulu construire ce circuit aussi, mais je n’ai pas réussis : j’ai tout branché, mais il n’a jamais rien fait… J’ai donc fini par acheter un kit pas cher sur eBay : https://www.ebay.com/itm/132155423183 (10 $). Ça se monte assez simplement (il faut savoir souder avec un fer à souder et de l’étain). L’alimentation 12 V n’est pas fourni, mais tu peux aussi souder deux fils et relier ça à une pile de 9 V, ça marche aussi. Il n’y aura pas d’étincelles, mais si ça marche, une lampe fluocompacte s’éclaire quand on le tient à 2~5 cm de la bobine, ce qui est plutôt classe aussi. La bobine mesure environ 5~6 cm de haut.

Je ferais peut-être un article sur ce circuit aussi, si ça vous intéresse !

3) Effectivement, ça dépend du condensateur. Certains ont une faible tension mais une haute capacité, d’autres l’inverse. Dans la description de la vidéo youtube, tu as un lien vers un marchand qui vend exactement les condensateurs nécessaires : 0,4 € pièce + 20 € frais de port. Il en faut 3.
À ce prix là, je te conseille d’en prendre d’avantage (genre 10), au cas où. Les frais de port élevés sont justifiés par le fait que c’est livré par Fedex (pas que ce soit nécessaire, mais y a pas d’autre options…). Si tu as un magasin d’électronique près de chez toi (ou un site), tu dois chercher des condensateurs polypropylène de 3,9 nanofarad et de 3 000 V.

Pour le reste de l’équipement :
— la tapette à mouche électrique que j’ai pris est celle là : https://amzn.to/2vWnteT (24 €)
— Le plexiglass à la découpe, j’ai pris deux morceaux de 11 cm × 11 cm × 0,8 cm.
— Le tube de PVC de 2,5 cm de diamètre, j’ai remplacé ça par un rouleau de carton de papier alu (bien rigide, de 2~3 cm de diamètre).
— Le fil de cuivre doit être émaillé (isolé, donc). Certains parlent parfois de « cuivre magnétique ». Son diamètre est de 32 AWG (32 gauge, ou encore 0,2 mm). Il en faut environ 20 mètres. J’ai pris celui là : https://amzn.to/2vWQxCK (100 mètres pour 3 € + 0,50 € de frais de port)

Sinon il te faut une perceuse, de la patience et être bricoleur.

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Lutin wrote:

Merci pour tes réponses. Ton circuit ne fait-il pas lui aussi osciller le courant comme un excitateur de Slayer grâce aux charges-décharges du condensateur ?
Sinon un article dessus ce serait génial ça permettrait de mettre les choses un peu plus au clair !
Et encore merci pour tes réponses et pour nous partager ton savoir.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Lutin : oui totalement : avec un courant continu en entrée, le circuit de Tesla devient un oscillateur.
En fait, un condensateur et une bobine en serie, ça fait toujours un oscillateur.

Tesla avait prévu que sa bobine fonctionne avec un courant alternatif en entrée. Du coup, à chaque oscillation en entrée, le condensateur se charge puis se décharge dans la bobine.
La fréquence du primaire est donc imposée par la fréquence du signal alternatif en entrée.

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Achess wrote:

Bonjour,
Exellent article bien expliqué.
Juste une précision: " dans le boîtier d’alimentation de votre PC pour transformer le 230 V en 18 V, dans votre chargeur de téléphone transformant le 230 V en 5 V" Depuis longtemps ce sont des alimentations à découpage sans transfo
Avantages : plus légères, moins de matière première, moins de pertes


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