2130: Hoogfrekwente Hoogspanning

Ter herinnering enige begrippen uit de fysica:

Geleiders: Elektrische geleiders zijn stoffen die over vrije elektronen beschikken in hun buitenste schil. Deze elektronen kunnen van het ene atoom naar het andere doorheen het kristalrooster vrij bewegen. Wanneer deze beweging in een bepaalde richting plaatsgrijpt spreekt men van een elektrische stroom.

Ionisatie: Men noemt een atoom geioniseerd wanneer men het door toevoering van energie in een toestand heeft gebracht waarbij het vrije elektronen heeft op de buitenste schil, die het daar normaal niet heeft. Een dergelijk ion heeft een negatieve lading. Wanneer men uit een atoom een elektron verwijderd, bekomt men een ion met een positieve lading. Hierdoor kan een dergelijk atoom van een stof die normaal niet elektrisch geleidend is , toch elektronen uitwisselen met andere naburige atomen, en kan er dus toch een elektrische stroom lopen. Normaal isolerende stoffen hebben geen vrije elektronen, maar, wanneer we ze in een voldoende sterk elektrisch veld opladen of wanneer we ze met deeltjes beschieten, worden elektronen uit de buitenste schil van hun atoom losgeslagen en treedt er toch geleiding op.

Fotonen: Een foton - of elementair lichtdeeltje of energiepakketje (energiekwantum) - noemt men dat deeltje dat door een atoom uitgezonden wordt wanneer een elektron uit de buitenste schil een orbitaal terugvalt naar de kern toe en daarbij energie verliest. De massa van het foton komt precies overeen met het geleden energieverlies. Gezien als golfverschijnsel heeft het foton een welbepaalde frekwentie die overeenkomt met de kleur van het uitgezonden licht. De energie van een foton wordt gegeven door de eenvoudige formule E=h*f, waarbij h de konstante van Planck is. Zolang het foton beweegt kan men er zowel energie als massa aan toekennen. De massa van een foton berekenen we uit de formule m=E/c^2, waarbij c de lichtsnelheid is.

Gasontladingsbuizen, ons welbekend in de vorm van TL-lampen, bespraken we in vorig hoofdstukje reeds. Het lichteffekt ontstaat omdat het meestal sterk verdund gasmengsel in de buis geioniseerd wordt en het vanuit deze geioniseerde toestand fotonen gaat uitzenden, waardoor het gas terug niet-geioniseerd wordt enzovoort. Wanneer we echter hetzelfde verschijnsel willen opwekken in gewone lucht, dan krijgen we weliswaar eveneens een 'optisch' in de zin van zichtbaar resultaat - een 'vonk' -, maar eveneens een akoestisch. Ionisatie van lucht, gevolgd door vonkoverslag levert ons immers een betrekkelijk eenvoudig middel op om lucht op direkte wijze vanuit elektriciteit in beweging te brengen. Iedereen zal wel al hebben opgemerkt dat elektrische vonken 'knetteren' en dat wanneer de vonken op kontinue wijze worden opgewekt, we een sterk sissend geluid verkrijgen. Dit laatste geluid is zo typisch voor het elektrisch lassen van metalen.

Het geluid ontstaat omdat de geioniseerde atomen, eens ze een stroompad vormen ( bij vonkoverslag), als plasma een elektrische weerstand vertegenwoordigen waarvoor geldt - zoals voor alle weerstanden- dat de stroom die erdoor vloeit vermenigvuldigd met de spanning die erover staat, een evenredig warmte(stralings)vermogen afgeeft. Wanneer lucht warmer is op een plek dan op een andere, dan wordt deze warmte aan de nabije luchtmolekulen overgedragen . Aangezien dit verschijnsel een plots karakter heeft onstaat er een drukgolf, die mits de frekwentie ervan binnen het bereik van het oor valt, als geluid wordt waargenomen.

Vonkontladingen werden eigenlijk reeds heel lang geleden in de muziek gebruikt. Zo kwam ik in een oude encyclopedie uit het begin van deze eeuw een verwijzing tegen naar een ' Clavecin a etincelles de feu', een snaarinstrument met klavier waarin de snaren echter niet door de gebruikelijke pennen worden aangetokkeld, maar waarbij dit - althans volgens de beschrijving in het boek- gebeurde door er een vonk te laten naar overspringen. Het klavier - zo vermoed ik althans - zal dan allicht uit een reeks elektrische schakelaars hebben bestaan die de primaire van een induktieklos ( Rumkorff-klos) - wellicht via een kondensator ( of Leidse fles in het jargon van die tijd) inschakelden en de bedoelde snaar verbonden met de sekondaire wikkeling.

In vele oudere fysika kursussen kan men - minder muzikaal dan wel- beschrijvingen aantreffen van de zgn. 'fluitende boog'. Dit is niets anders dan een oscillerende kring opgebouwd uit een Rumkorff-klos met een onderbreker in de primaire kring, en een met een kondensator afgestemde sekondaire kring die de puntelektroden omvat waartussen de 'fluitende boog' ontstaat. In principe komt deze opstelling geheel overeen met diegene die Heinrich Hertz gebruikte voor de opwekking van zijn Hertze golven, die we later gewoon radiogolven, of algemener, elektromagnetische golven zijn gaan noemen.

Voor zover ik kon nagaan zijn er op dit principe echter nooit echt bruikbare muziekinstrumenten gebouwd geworden. William Du Bois Dudell wordt in de 'New Groves dictionary of Musical Instruments' opgegeven als bouwer en uitvinder van een zingende boog (1899), en in 1902 heeft Pierre Janet er iets instrument-achtigs mee gemaakt waarmee hij een tessituur van acht en een half oktaaf kon halen. In 1903 zag Valdemar Poulsen er echter de bazis in van een radiozender. Moeilijk is zo'n zingende boog vandaag niet te bouwen. Het gaat vrij gemakkelijk met behulp van niet veel meer dan een krachtige audio-versterker en een luidspreker-uitgangstransformator uit de buizentijd... Sekundaire spanningen vanaf zo'n 1500 Volt volstaan ruimschoots.

In de laatste tien jaar , in de experimentele muziek dan wel, werden vonken op zich gebruikt door musici zoals Richard Lerman ( hij gebruikte piezoelektrische kristallen) en vooral Ron Kuivila, die er betrekkelijk grote audio-arts installaties mee opbouwde waarbij hij de vonkjes via de komputer over een groot oppervak in talloze diverse patronen en ritmes liet knetteren.

Ron Kuivila beperkt zijn knettertoestanden echter tot DC pulsen (gelijkspanning) en spanningen in de orde van 10000 Volt.

Wie hiermee wil experimenteren raden we aan enkele oude fotokopieermachines te demonteren en er de hoogspanningsvoedingen voor de corona's uit te slopen.

Uit de fysika weten we dat elke stroom die door een geleider loopt steeds rond die geleider een elektromagnetisch veld opwekt. Omgekeerd wekt een bewegend elektromagnetisch veld , door induktie, een veranderlijke spanning op in een geleider die zich binnen dat veld bevindt. Hierop berust zowel de transformator als de radio- en/of TV-antenne, de elektromagneet, de motor ...

Naarmate de frekwentie van de wisselstroom die we door een geleider later lopen stijgt, stijgt ook het penetratievermogen en de energie van het erdoor opgewekte elektromagnetisch veld. Nicolai Tesla hield zich in het bijzonder bezig met de verschijnselen op het gebied van hoogfrekwente hoogspanningsinduktie. De reden waarom we daarop ingaan is dat zijn proeven de fantasie van heel wat kunstenaars en performers hebben geprikkeld. Zelfs Laurie Anderson heeft er een tiental jaar terug een show rond ontwikkeld.

Hoogfrekwente hoogspanning kan worden opgewekt via een Tesla-transformator. Dit is eigenlijk niet veel meer dan twee overelkaar gewikkelde spoelen zonder kern , of met een kern uit ferriet-materiaal geschikt voor hoogfrekwent, waarvan de eerste spoel een heel gering aantal wikkelingen heeft en in resonantie wordt gebracht met een kondensator. De sekondair daareentegen heeft een zeer groot aantal wikkelingen - die bovendien ook ruimtelijk relatief ver uiteen dienen te liggen om ongewenste vonken binnen de transformator te vermijden. Hiermee kan hoogfrekwente hoogspanning worden opgewekt van 10kV tot 1MV en dit bij frekwenties van 10kHz tot 1MHz.

Een van de spektaculaire dingen die door zo'n Tesla transformator kunnen worden bereikt is bvb. het trekken van meters lange vonken naar personen en objekten in de buurt. Door de eigenschap van hoogfrekwente stroom om zich kwazi uitsluitend langs het oppervlak van een geleider voort te planten, zijn dergelijke 'elektrokuties' welhaast ongevaarlijk voor de getroffen personen. Men noemt dit het 'skin-effect'.

Andere spektaculaire effekten die ermee kunnen worden bereikt hebben te maken met het feit dat het door een Tesla-transformator opgewekte elektromagnetisch veld zo sterk is , dat het verdunde gassen heel gemakkelijk kan ioniseren. Dit betekent onder meer dat een TL buis die we gewoon vasthouden, vanzelf en zonder elektrische aansluiting, begint op te lichten. Ook de sommigen wellicht bekende plasma-bollen die tegenwoordig in zgn. 'design'-winkels te koop worden aangeboden zijn niets meer dan een eenvoudige kleine Tesla-transformator waarop een lege glazen bol met verdunde lucht of een ander niet explosief gas is gemonteerd. Binnen de bol ontstaan dan allerlei grillige vonken die je bij aanraking naar je vingers kan doen lopen.

Toepassingsvoorbeeld:

Ikzelf heb mij ook aan deze technologie bezondigd en geef dan ook graag - als toepassingsvoorbeeld, en ten behoeve van wie daarmee verder wil experimenteren - een beschrijving van het voorlopig artistiek en technisch resultaat: "Talking Flames".

Naar homepage dr.Godfried-Willem Raes