Etude des " Bobines de Tesla ", modélisation, alimentation électronique et pédagogie associée

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Etude des " Bobines de Tesla ", modélisation, alimentation électronique et pédagogie associée
Etude des « Bobines de Tesla »,
        modélisation, alimentation électronique et pédagogie associée
                                                      Luc Lasne

                                Université de Bordeaux 1, Centre de Ressources en EEA
                               351, Cours de la Libération 33405 Talence cedex, France.
                                      Contact email : lasne@creea.u-bordeaux.fr

         Résumé : Cet article traite d'une approche expérimentale et théorique des « bobines de Tesla » ( Tesla coil ). Ce
type de bobinage particulier constitue l’élément central d’un système à résonance utilisé pour produire un champ et des
tensions électriques très importants. L’étude permet la construction d’un modèle et formalise quelles sont les grandeurs
caractéristiques ainsi que leurs couplages. La réalisation du montage permet d’ioniser l’air à pression atmosphérique,
d’allumer spontanément des tubes d’éclairage, de produire des effluves de type « plasma » ou encore des arcs électriques
crépitants. L’aspect pédagogique est enfin détaillé, notamment à l’occasion d’interventions destinées à la jeunesse.

1. Généralités                                                 persiste une sorte de « flou artistique » sur
Le terme de « bobine de Tesla » apparaît dans                  l’aspect théorique qui rend difficile la
un ensemble d’inventions dues à Nikola Tesla                   compréhension des notions importantes.
(1856-1943) et destinées principalement à la                   L’objectif de cet article est ainsi autant de
production de champs électriques intenses et de                clarifier les modèles et leurs grandeurs que de
phénomènes spectaculaires associés (figure 1).                 présenter une réalisation « statique » de
Si le plus souvent, la finalité de l’opération                 l’alimentation d’un tel dispositif, plus
réside dans l’obtention d’importants arcs                      accessible à l’électrotechnicien moderne.
électriques (jusqu’à quelques dizaines de
mètres de long) ou dans l’ionisation sans                      2. Principe de fonctionnement
contact de tubes d’éclairage, ce type de circuit               Le principe général repose sur la résonance
sert également de façon industrielle et dans la                d’une sorte de transformateur élévateur
recherche à l’occasion d’essais diélectriques ou               constitué de deux bobines coaxiales sans noyau
autres applications des hautes tensions.                       magnétique ; le fait que ce dernier soit à
                                                               proscrire s’expliquant tout simplement par la
                                                               volonté     d’éviter     l’amortissement      que
                                                               causeraient ses pertes fer. En substance, le très
                                                               mauvais couplage dû à l’absence de circuit
                                                               magnétique est spectaculairement compensé
                                                               par la résonance de l’ensemble à une certaine
                                                               fréquence et de très fortes tensions sont
                                                               finalement obtenues au secondaire, tout
                                                               simplement par « effet transformateur ».
                                                               Par conséquent, le « primaire » est simplement
Fig 1 : Tesla dans son laboratoire - montage photo [1]
                                                               matérialisé par quelques spires enroulées à
                                                               bonne distance d’un « secondaire » constitué,
L’aspect fascinant des «bobines de Tesla »
                                                               lui, de quelques milliers de tours, ce qui revient
(« Tesla Coil » en Anglais) justifie aujourd’hui
                                                               à un rapport de transformation important. Un
la présence d’un grand nombre de réalisations
                                                               éloignement progressif des deux bobinages est
d’amateurs     (éclairés...), qui     prolifèrent
                                                               nécessaire afin d’éviter des amorçages entre ces
essentiellement outre Atlantique. Pourtant, et
                                                               deux circuits, ce qui justifie l’aspect souvent
malgré l’ancienneté des expériences de Tesla
                                                               « conique » de l’enroulement primaire (voir
ou l’abondance des réalisations actuelles, il
                                                               figure 2).
3. Réalisation courante                                                                   m= L2      . Le rôle de l’électrode posée sur la
3.1. Fonctionnement « en lâché »                                                                  L1
Une grande majorité des réalisations actuelles                                            bobine est ainsi crucial par le fait qu’elle
utilise les décharges violentes et successives                                            impose la valeur de la capacité C2 . Une
d’un condensateur dans le circuit primaire afin                                           électrode présentant une grande surface est
d’atteindre le régime de résonance. Ce régime                                             alors nécessaire afin de permettre à f 2 de n’être
« en lâché » se répercute efficacement au                                                 pas trop importante (inférieure à quelques
secondaire à condition d’un accord des                                                    100 kHz) ; ceci autorisant des courants pas trop
                                                                                          atténués par les réactances en série. Enfin on
fréquences de résonance et de différentes
                                                                                          montre également que le coefficient de
grandeurs caractéristiques.
La figure 2 fait ainsi apparaître la physionomie                                          couplage ( k = M / L1.L2 ) modifie profondément
habituelle du système ainsi qu’un premier                                                 l’allure des tensions obtenues et donc l’échange
modèle électrique, relevé dans la littérature [2].                                        des puissances. En pratique, une fois le
                                                                                          condensateur C1 chargé, la fermeture du circuit
                           Inductances
                             de choc                                                      est opérée soit par un éclateur autonome soit
                                                                                          par des contacts à répétition souvent réalisés
                                                    Bobinage secondaire

             Redresseur                 Electrode
             (optionnel)                                                        arc
                                                                                          par un « éclateur rotatif ». Comme beaucoup de
   Transformateur                                                                         passionnés       utilisent    directement      des
      50-60 Hz
                                   Interrupteur
                                                                                          alimentations haute tension (quelques kV) pour
   Tension                         ou éclateur                                            charger le condensateur, il ne reste alors que
   Secteur                                                                                des      moyens       électromécaniques     assez
     ~                        C1                                                          « violents » et donc « critiques » pour entretenir
                                                                                          ce cycle de charge / décharge nécessaire.
                                            Bobinage primaire
                                                                                          3.2. Ordres de grandeur
                                                                               arc        Les résonateurs de Tesla rencontrés aujourd’hui
                                        M
                                                                                          présentent des dimensions souvent semblables ;
                                                                          C2          R
                                                                                          les ordres de grandeur de leurs éléments
                 C1                L1         L2                                          caractéristiques sont donc assez similaires. Le
                                                                                          tableau 1 regroupe ainsi un ensemble de
Fig 2 : Alimentation «en laché » et modèle électrique                                     valeurs typiques utiles par la suite.
En terme de modélisation, le condensateur et la                                                                         Dimensions et Ordre de
                                                                                                 Formule utilisée
bobine primaire forment un couple L-C                                                                                     géométrie   grandeur
                                                                                                                          l~1 à 2m
résonant à la fréquence f1 =              1     . Le                                                    N 2².µ0.S                     de 20 à
                                      2π L1.C1                                            L2       L=                   D~10 à 30cm
                                                                                                            l             N2~1000     400mH
secondaire est représenté par une inductance
                                                                                                                          Electrode
couplée par une mutuelle M au primaire, et                                                                                torique ,    de 0,01
associé à une résistance (qui modélise l’arc) et                                          C2    - simulation [3] -       masse à 2m    à 0,5nF
un condensateur. Ce dernier représente la                                                                                φ ext≈ 50cm
capacité équivalente existant entre l’électrode                                                           1                            de 10 à
                                                                                           f2     f2 =                       -
et la masse : C2 . Il existe ainsi une seconde                                                         2π L2.C2                        250kHz
fréquence de résonance à considérer :                                                                                    l~5 à 30cm
                                                                                                    N1².µ0.Smoyen                      de 5 à
 f2 =        1      . On montre alors [2] que, si                                         L1     L=                     D~20cm à 1m
                                                                                                         l                             500µH
       2π L2.C2                                                                                                             N1~5
 f 2 = f1 , la tension secondaire crête est maximale                                      C1    f1 = f 2 =      1
                                                                                                                             -
                                                                                                                                       de 0,5nF
et égale à la tension de charge du condensateur                                                              2π L1.C1                   à 50µF
multipliée par le rapport de transformation                                                k                 -               -         0,5 à 0,8
                                                                                                      Tableau 1 : Ordres de grandeur
3.3. Simulations                                    chute qui reste néanmoins assez petite pour de
La simulation du circuit équivalent permet de       faibles écarts des valeurs de la capacité. Enfin,
visualiser efficacement ce qui se passe lors de     la variation du coefficient de couplage k
la décharge du condensateur C1 . La figure 3        n’affecte pas trop la valeur de tension crête
représente ainsi plusieurs exemples de tensions     mais bien l’allure instantanée des grandeurs
secondaires en décharges uniques, réalisées         électriques.
avec L1 , L2 , C2 fixes et C1 ou k variables.       Il est alors intéressant de retenir de ces
                                                    simulations que la valeur du condensateur C1
        25 µs=1/f2                  L 1 = 15 µH
                                                    et le couplage des deux bobinages ne sont
                                    L 2 = 40 mH     finalement pas des grandeurs vraiment
                                    C 2 = 0,4 nF    critiques, à la différence du rapport des
                                    f 2 = 40kHz
                                     R = 50kΩ       inductances m= L2 qui fixe globalement le
                                                                         L1
                                                    rapport maximal des tensions.
               V 2 max ~ 40 kv       C 1 = 1 µF
                                       f1 = f 2
                                       k = 0,5      3.4. Photographies
                                                    La figure 4 présente une photographie à longue
                                                    pose d’une « grande »        bobine de Tesla
              V 2 max ~ 35 kv                       fonctionnant par décharges répétées. Elle a été
                                                    réalisée par un amateur suisse [5] qui se sert de
                                                    sa bobine à des fins pédagogiques, souvent à
                                                    l’occasion de manifestations scientifiques.
                                     C 1 = 1 µF
                                       f1 = f2
       25 µs=1/f 2                     k = 0,8

            V 2 max ~ 4kv

                                    C 1 = 0,1 µ F
                                        f1 > f2
                                       k = 0,5

       Fig 3 : Simulations sous Simplorer [4]

La tension de charge de C1 étant égale à 1 kV,
la tension maximale en sortie est ici de l’ordre
de 40 kV à la conjonction des résonances. Cette
valeur résulte du choix des grandeurs et
notamment du rapport m= L2 ≈50 ; la valeur
                               L1
de 50 kV représentant ainsi (sur cet exemple) la
tension maximale absolue que pourra atteindre       Fig 4 : Copyright Kurt Schraner [5], “Tesla-Coiler” Suisse
le montage. L’utilisation d’un condensateur de
valeur trop éloignée de cette conjonction           La tâche très lumineuse au pied de la bobine est
(0,1µF au lieu de 1µF dans la simulation)           causée par la couronne d’arcs de l’éclateur
conduit ainsi à une chute de la tension crête ;     rotatif qui amorce la décharge du condensateur.
4. Réalisation     électronique                                           et   petit tube fluorescent à proximité de la bobine
établissement d’un modèle                                                      permet par ailleurs de repérer visuellement les
4.1. Objectifs                                                                 résonances (par son ionisation directe). Enfin le
A l’heure où l’électronique de puissance                                       condensateur C , en série avec la bobine,
permet une gestion de plus en plus fine de la                                  permet d’éliminer la composante continue de
conversion d’énergie, il semble dommage de                                     courant due aux légères imprécisions du
continuer à piloter les bobines de Tesla à l’aide                              rapport cyclique contrôlant le découpage (en
d’éclateurs et d’organes électromécaniques                                     d’autres termes l’association L1 −C réalise un
soumis à des contraintes électriques et                                        filtre passe haut de courant).
thermiques importantes. Parallèlement, il
semble intéressant d’identifier un modèle plus                                 4.3. Expérimentations et observations
familier du transformateur de Tesla, notamment                                 Dès les premières expérimentations, plusieurs
pour mieux formaliser ce qui se produit lors de                                fréquences particulières font apparaître, dans
la résonance ou pour choisir les composants de                                 des bandes passantes très étroites, des tensions
façon prévisionnelle.                                                          spectaculairement importantes au niveau de
                                                                               l’électrode terminale de la bobine. En réalité
4.2. Montage électronique                                                      pourtant, il n’existe qu’une seule fréquence de
Il est possible d’utiliser un montage basé sur                                 résonance ( f2 ) mais la tension carrée fournie
des transistors de puissance en commutation                                    par l’onduleur présente des harmoniques 3, 5,
pour hacher le courant qui circule dans la                                     7, etc. En d’autres termes, la particularité du
bobine primaire, et ce sur toute une plage de                                  découpage de la tension permet de faire
fréquence. La figure 5 représente le montage                                   résonner la bobine aux fréquences f 2 / 3 , f 2 / 5 ,
utilisé, choisi en « pont complet », sachant qu’il
                                                                                f 2 / 7 , etc ; mais évidement, plus la composante
est tout à fait possible de se limiter à un demi-
                                                                               utilisée est de rang élevé, plus l’effet
pont (mais en ne disposant alors que la moitié
                                                                               correspondant est faible.
de la tension disponible avec un pont complet).
                    Pont complet
                                                                               Parallèlement, le relevé de quelques fréquences
                       à IGBT                                                  successives permet rapidement de trouver
                                          Bobinage secondaire

            Redresseur        Electrode                                        quelle est la véritable fréquence de résonance.
              PD2
   Alternostat
                                                                               En terme d’effets concrets, l’utilisation d’une
    50-60 Hz
                                                                 Tube
                                                                               tension d’entrée plus ou moins élevée permet, à
  Tension                                                       testeur        la résonance, d’obtenir des manifestations
  Secteur           +V              C                                          diverses allant de l’ionisation de tubes à
                                                                               décharge classiques (Néons, etc ) à la
   ~                                                                           production d’arcs électriques (bruyants)
                                  Bobinage primaire
                                                                               pouvant atteindre des distances d’autant plus
                                                                               grandes que la tension est forte en amont.
    Fig 5 : Alimentation en créneaux à f réglable                              Ceci étant noté, plusieurs faits se révèlent
L’alternostat d’entrée, associé au redresseur et                               troublants :
à son condensateur de lissage, permet de                                              - La modification de la valeur de la
produire la tension continue réglable +V (0 à                                              capacité C ne permet pas de faire varier
300 V environ) qui alimente le pont. La                                                    la fréquence de résonance.
commande       complémentaire      des    IGBT
                                                                                      - Le nombre de spires primaires n’a
(commande « pleine onde » étant donnée la
                                                                                           également qu’une très faible influence
plage de fréquence à atteindre) permet de
                                                                                           sur f2 .
produire aux bornes de l’ensemble bobine-
condensateur une tension carrée d’amplitude V                                         - La géométrie de l’électrode secondaire,
et de fréquence réglable. Le fait de disposer un                                           en revanche, influe très fortement sur la
                                                                                           fréquence et sur l’efficacité du
phénomène. La présence de corps                                  En négligeant l’influence de l’inductance
        faisant      « masse »      dans  son                            l f2 / m² (m étant très grand et en regard des
        environnement influe même légèrement                             valeurs du tableau 1), il apparaît un « circuit
        sur le calage de la fréquence.                                   bouchon » dont la fréquence de résonance est
Ces observations, et leur interprétation, ont                            fonction du produit L1.m² . En écrivant
ainsi conduit à l’élaboration d’un modèle                                 L1= N1² /ℜ ( ℜ étant la réluctance du circuit
équivalent à la bobine permettant d’expliquer                            magnétique primaire) et m= N 2 /N1 , on
les points délicats de l’expérimentation.                                remarque que le produit L 1.m² est indépendant
                                                                         de N1 , le nombre de spires du primaire, ce qui
4.4. Modèle de la bobine et explications                                 valide les observations.
Il est possible de considérer les deux bobinages                         Enfin, la présence de ce « circuit bouchon »
couplés (par un coefficient de couplage non                              justifie le fait que la tension au primaire du
unitaire) comme un transformateur traditionnel                           transformateur idéal soit toujours « écroulée »
présentant d’importantes inductances de fuites.                          par la présence de L 1. ou m².C2 ; à l’exception
L’utilisation de son schéma équivalent,                                  de la fréquence de résonance pour laquelle ces
classique en électrotechnique, conduit ainsi au                          deux composants se neutralisent. Dans ces
circuit représenté sur la figure 6.                                      conditions, représentées sur la figure 8,
                                                                         l’amplification de tension peut approcher la
                                                          arc
                                       M
                                                                         valeur m= N 2 /N1 (soit la même expression
                              C                                          qu’en 3.3).
                                                     C2          R
   +V
                                                                                                            m
        -V
                                                                             +V             C     lf1
                                                                                                                             R
                                                                                  -V

                                                                                  Fig 8 : Schéma équivalent à la résonance
                                           m
                   lf1                             lf2
         C               L1                                          R   Il est ainsi commode de retenir que le
                                                                C2
                                                                         transformateur de Tesla se comporte comme un
  Fig 6 : Modélisation du transformateur équivalent                      transformateur idéal à la résonance. Afin de
                                                                         produire des hautes tensions il est ainsi naturel
L’avantage de ce schéma est de faire apparaître                          d’utiliser un primaire constitué d’un nombre
un transformateur idéal dont les relations de                            très réduit de spires ( de 2 à 10 spires) dont le
passage d’impédances du secondaire vers le                               couplage n’a qu’un rôle mineur dans le
primaire sont bien connues [6]. La figure 7                              comportement à vide.
présente ainsi un schéma équivalent sur lequel                           Enfin, le rôle du condensateur C , utilisé pour
les éléments réactifs sont ramenés au primaire.                          supprimer la composante continue du courant,
                                                                         peut être interprété par la compensation
                              lf2/m²           m
                                                                         d’énergie réactive due à l’inductance de fuite
             lf1
    C               L1            m².C2                                  du bobinage primaire. Sa valeur peut même
                                                                     R
                                                                         être calculée en fonction de cela.
               ≈
                                                                         4.5. Simulations et confrontation du modèle
                                                                         Une fois le modèle ressenti, il est intéressant de
             L1                        m².C2       f2=       1
                                                         2π L1.m².C2     le simuler pour vérifier sa conformité avec les
               Fig 7 : Manipulation du modèle
                                                                         phénomènes relevés. La figure 9 regroupe ainsi
                                                                         les résultats de plusieurs simulations de la
tension secondaire réalisées avec des valeurs                                                    pratiquement un court-circuit dû à la résonance
d’éléments correspondant aux premières                                                           de l’association C1 /L1 . Par ailleurs, le fait que
simulations (figure 3) ; l’alimentation de la                                                    la fréquence principale soir plus ou moins
bobine et le modèle utilisés étant ici conformes                                                 importante influe sur l’impédance de sortie du
au schéma de la figure 6.                                                                        montage, ou encore justifie une chute de
                                        2DGraph...                                               tension plus ou moins importante en charge.
   1.00Meg
   400.00k                                                                                       Ces résultats, en accord avec l’expérimentation
   200.00k
                                      f2              C=10 µF                                    permettent donc de mieux comprendre
    70.00k
                                                      C2=0,4 nF
    40.00k                                           f2 ≈ 40 kHz                                 l’interaction entre la géométrie de la bobine et
    20.00k
                                                                                                 la dynamique des grandeurs électriques.
     7.00k
     4.00k
                                                                                       C2.V...
     2.00k
                                                                                                 4.6. Photographies et performances
    700.00
    400.00
                                                                                                 La figure 10 présente une photographie de la
    200.00                                                                                       partie haute de la bobine réalisée.
     70.00
                            Résonance B.F. causée par C1L1
     40.00
                            ⇔ Court-circuit d’alimentation
     20.00
     10.00
             1.00k   20.00k 30.00k 40.00k 50.00k 60.00k 70.00k 80.00k        100.00k

                                        2DGraph...
   1.00Meg
   400.00k
   200.00k
                                      f2              C=100 µF
    70.00k
                                                      C2=0,4 nF
    40.00k                                           f2 ≈ 40 kHz
    20.00k

     7.00k                                                                                                                                   Arcs
     4.00k
                                                                                       C2.V...                                         de 20 à 30 cm
     2.00k
                                                                                                           Tube                        Vcrête ≈ 100 kV
    700.00
    400.00                                                                                                 fluorescent
    200.00

     70.00
     40.00
     20.00
     10.00
             1.00k   20.00k 30.00k 40.00k 50.00k 60.00k 70.00k 80.00k        100.00k

                                        2DGraph...
  1.00Meg                                                                                         Fig 10 : Bobine et effluves attirées par un tube néon
                     Chute de tension due à la fréquence
   400.00k
   200.00k           de résonance plus importante
                                                                                                 Avec une tension continue d’alimentation du
    70.00k
                                                                                                 pont de seulement 250 à 300 V, un long tube
    40.00k                                                                                       fluorescent s’illumine spontanément à 2 mètres
    20.00k
                                                                                                 de l’électrode et des arcs de 10 à 30 cm
     7.00k
     4.00k
                                                                        f2             C2.V...   apparaissent. Les « effluves violettes » dues à
     2.00k
                                                                                                 l’ionisation de l’air autour des pointes (effet de
    700.00
    400.00                                                                                       pointe, effet couronne), comme le crépitement
    200.00
                                                      C=100 µF                                   des arcs et leur lumière blanche sont très
     70.00                                            C2=0,1 nF
     40.00
                                                     f2 ≈ 85 kHz
                                                                                                 impressionnants. La tension d’alimentation est
     20.00
     10.00
                                                                                                 volontairement limitée à 300 V pour permettre
             1.00k   20.00k 30.00k 40.00k 50.00k 60.00k 70.00k 80.00k        100.00k
                                                                                                 à l’animateur de rester à une faible distance de
             Fig 9 : Simulations sous Simplorer [4]                                              la bobine et de brandir des objets sans être
Ces graphes montrent bien la dépendance de la                                                    soumis à de désagréables « châtaignes ». Enfin,
fréquence de résonance principale à la valeur                                                    une « boule à plasma » s’illumine également à
de la capacité C2 et son indépendance vis à vis                                                  quelques 30 cm de l’électrode, ce qui est
de C1 ; le pic « basse fréquence » représentant                                                  généralement très apprécié par l’auditoire.
5. Applications pédagogiques                         L’article de journal représenté sur la figure 11
5.1. Utilisation courante                            (Sud-Ouest du 13 Mars 2008) relate ainsi une
Les applications pédagogiques de la bobine de        de ces journées dans un lycée de Pessac (33).
Tesla sont particulièrement intéressantes dans       La bobine y fût utilisée au cours d’ateliers d’un
le cadre de journées « portes ouvertes », de         quart d’heure environ par groupe. Les lycéens
« salons      de    l’étudiant »     ou     même     ont été apparemment très intéressés et leurs
d’interventions en Lycée et Collège. Ce type de      questions très diverses. On peut d’ailleurs noter
montage, imposant par la taille, le bruit, les       que pour des 1èreS et Terminale S, beaucoup de
lumières et les arcs qu’il produit, est l’occasion   questions ont concerné le trajet des courants,
de montrer un ensemble de phénomènes                 les phénomènes de pointe ou encore l’aspect
fascinants et, surtout, de susciter l’intérêt de     « alternatif » de l’alimentation... ce qui ouvre le
l’auditoire ; généralement à travers un grand        champ à des explications bien utiles à ce
nombre de questions.                                 niveau.
Le système en lui même étant le reflet d’une
facette très particulière de l’EEA [7] et de la
physique, la démonstration est également
l’occasion d’ouvrir la discussion sur la
diversité des matières et des recherches qui
sont une réalité souvent mise de côté dans la
présentation de l’enseignement supérieur.

5.2. « Chimie Physique Itinérante »
De façon concrète, la bobine est utilisée, entre      Fig 11 : La bobine en « chimie physique itinérante »
autres, afin d’animer un atelier de l’association
« Chimie Physique itinérante » [8].            Ce    5.3. Aspects pédagogiques avancés
regroupement de chercheurs et d’enseignants          La bobine de Tesla constitue une application
organise des journées (2 jours consécutifs en        tout à fait « hors normes » des domaines de
général) dans des Lycées afin de présenter des       l’EEA [7]. A titre d’exemple, le fait qu’un tube
applications      scientifiques    intéressantes,    fluorescent s’allume spontanément, sans être
innovantes ou spectaculaires.                        branché à quoi que ce soit, à 2 mètres de la
L’objectif principal est de sensibiliser les         bobine, est un phénomène bien connu des gens
lycéens spectateurs aux sciences physiques,          qui travaillent dans les domaines de la haute
d’éveiller leur curiosité à travers           des    tension. Cette manifestation de l’ionisation
manipulations moins académiques que celles           directe d’un gaz par le champ électrique
vécues en cours. De façon secondaire, il s’agit      environnant la bobine paraît pourtant très
d’ouvrir des discutions directes et conviviales      inhabituelle pour une grande majorité de
avec des enseignants du supérieur et des             personnes travaillant ou étudiant dans l’EEA.
chercheurs.
En association avec les professeurs de physique      C’est ainsi l’occasion pour eux de mieux
des lycées participants, ce type de journée est      « ressentir » la distribution du champ
l’occasion de « toucher » directement quelques       électrique, les effets de masse, de pointe, etc...
centaines de futurs étudiants et de leur
présenter une image des universités plus proche      Le tableau 2 présente ainsi, classés par thèmes
de « l’émerveillement scientifique » que de la       de manière non exhaustive, quelques champs
« voie de garage »...                                d’explications   théoriques     associés    aux
                                                     phénomènes courants de la bobine de Tesla.
Eléments théoriques               son champ proche et de « s’amuser »
        Thèmes
                                      associés
                                                                 avec l’effet de pointe (ce qui n’est pas
                             Couplage, coefficient de
                            couplage, bande passante,            le cas avec toutes les manipulations de
  Effet transformateur        transfo. haute tension,            bobines de Tesla).
                          bobinages en haute tension,        •   L’impédance de sortie de la bobine
                                        etc ...
                                Comportement des
                                                                 étant très importante, les courants qui
                          impédances « discrètes » en            traversent le manipulateur lors de la
       Réactances         basse fréquence (comme le              formation d’arcs ont des valeurs très
                               primaire constitué de             faibles, ce qui les rend souvent
                                  quelques spires)
                             Simulation de lignes de
                                                                 imperceptibles.
                            champ par éléments finis,        •   Les fréquences de ces courants sont de
   Champ magnétique
                         calcul d’une inductance dans            l’ordre de 50 à 100 kHz ce qui est très
                                     l’air, etc...               largement supérieur aux plages de
                        Distribution radiale du champ
                          électrique, concentration du           fréquences susceptibles d’entraîner une
    Champ électrique          champ, effet de pointe,            interaction avec le système nerveux.
                         ionisation, champ disruptif et      •   Dans le pire des cas, un contact entre le
                                  claquage, etc...
                                                                 manipulateur et les objets environnants
                          Difficulté de classement des
                            isolants et conducteurs en           peut conduire à un petit choc électrique
                          haute tension, méthodologie            semblable à celui résultant d’une
 Isolants / Conducteurs
                               de tests et mesures de            décharge d’électricité statique. L’effet
                           tensions de claquage et de
                               contournement, etc...
                                                                 thermique (petite brûlure due à l’arc) est
                            Traceurs par bonds, canal            dans ce cas là le plus douloureux.
                           ionisé, résistance négative,
    Ionisation et arc   ionisation directe, phénomène     Les précautions à prendre avant chaque
       électrique        d’influence, plasma, couleur
                            de plasma, différenciation
                                                          démonstration consistent ainsi à éviter la
                                    plasma / arc.         manipulation aux personnes équipées de
                        Principe de résonance série et    « pacemaker »        ou      autres      prothèses
                            parallèle, bande passante,    électroniques, et à expliquer systématiquement
       Résonance          multi-résonance, résonance
                        d’harmoniques, coefficient de     la particularité du système permettant
                                 surtension, etc...       exceptionnellement        de    « jouer »     avec
Tableau 2 : Champs pédagogiques associés à la bobine      l’électricité. La plupart du temps, une réflexion
                                                          sur le risque électrique s’en suit et permet ainsi
5.4. Sécurité électrique                                  de rappeler à l’auditoire les dangers de
La question de la sécurité électrique se pose             l’électricité domestique et industrielle. La
naturellement lors de l’utilisation de la bobine          manipulation conduit également à sensibiliser
puisqu’elle est destinée principalement à un              les participants aux dangers particuliers de la
public non averti en contact physique direct              haute tension, notamment au fait qu’il n’est pas
avec le champ électrique.                                 nécessaire de toucher un conducteur pour
                                                          pouvoir être électrocuté.
En réalité pourtant, et malgré les importantes
tensions crêtes produites par le dispositif, son
usage est quasiment inoffensif de par les
raisons suivantes :
    • La bobine est utilisée dans le cadre de
        tensions relativement « faibles » qui
        autorisent de présenter des objets dans
Références et bibliographie                          Adresses et liens Internet
[1]   Tesla, la passion d’inventer                   Il existe un grand nombre de sites et de blogs
      Elisabeth Cheney - BELIN 1987                  dédiés aux bobines de Tesla. La plupart de ces
                                                     sites sont Anglophones et beaucoup de pages
[2]   Haute tension, Traité d’électricité de         sont réalisées par des amateurs, parfois
      l’EPFL TE vol XXII, édition originale          « éclairés » parfois non... Ci dessous quelques
      http://ppur.epfl.ch/livres/2-88074-482-        adresses assez sérieuses et Francophones,
      2.html                                         sachant qu’il suffit de chercher « bobine tesla »
                                                     ou « tesla coil » sur un moteur de recherche
[3]   Logiciel de calcul magnétostatique et          pour trouver une avalanche de sites et de
      électrostatique 2D « F.E.M.M. » - site         vidéos.
      Internet officiel : http://femm.foster-        -   Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Bobine
      miller.net/wiki/HomePage                           _Tesla
[4]   Logiciel Simplorer V.7 Ansoft, gratuit au
      téléchargement en version étudiant             -   http://www.f1ets.com/bobinetesla/index.htm#F
      http://www.ansoft.com/products/em/simplo           onctionnement
      rer/
                                                     -   http://tesla.nicoinn.be/site/tesla1.htm
[5]   « Tesla-Coiler » Suisse : Kurt Schraner,
      http://home.datacomm.ch"     ou encore :       -   http://www.teslacoil-
      http://twfpowerelectronics.com/~kurt/index         france.net/conception/conception.html
      .html
                                                     -   http://pagesperso-
[6]   Electrotechnique, luc Lasne - DUNOD                orange.fr/thomas.soft/tesla/older_versions/inve
      2008 ISBN 9782100507207,                           ntions/coil/index.htm
      http://www.dunod.com/pages/ouvrages/fich
      eouvrage.asp?id=50720

[7]   EEA : Electronique, Electrotechnique,
      Automatique.

[8]   Association « Chimie Physique
      Itinérante ». Contact : Dr Philippe Cluzeau,
      CRPP Av A.Schweitzer – F – 33600
      PESSAC.
      email : cluzeau@crpp-bordeaux.cnrs.fr
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