Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Koil Tesla: Mainan Tegangan Tinggi

Sebagian besar orang harusnya tidak asing dengan gambar di bawah ini.

Yup! Itu adalah sebuah koil Tesla (Tesla coil), diberi nama sesuai nama sang penemunya Nikola Tesla, ilmuwan Rusia abad lalu. Koil Tesla berfungsi menghasilkan tegangan listrik sangat tinggi. Sebagian penelitian Nikola Tesla berhubungan dengan listrik tegangan tinggi dan transmisi tanpa kabel. Karena bentuk dan sifatnya yang agak ajaib ini, koil Tesla cukup dikenal oleh orang awam sekalipun.  Contohnya, untuk teman-teman yang suka main Red Alert pasti tahu benda ini. Nah, bagaimana cara kerja koil Tesla? Kenapa ada bola di atasnya?

Untuk memahami koil Tesla, mari kita buat sendiri mainan ini seperti cara Tesla membuatnya!

Bahan:

  • Sumber tegangan AC 1-10 kV, ± 25 Watt. Cari di mana?
  • Spark gap, yaitu dua buah konduktor berjarak beberapa mm tempat loncatan listrik. Benda yang fungsinya sama dapat kita temukan di mesin motor dan mobil, namanya busi.
  • Kawat tembaga berdiameter 0,3 mm. Beli saja beberapa ons.
  • Kawat tembaga berdiameter 5 mm (atau pipa tembaga 1/8 inci) ±10 m. Ini cukup mahal. Untuk sementara bisa pakai kawat yang sama seperti di atas.
  • Pipa paralon diameter 6 inci, panjang 1 meter.
  • Bola atau donat aluminium berdiameter ± 20 cm, tidak perlu padat.
  • Kapasitor tegangan tinggi, secukupnya.

Rangkaian:

Cara kerja koil Tesla

Pertama-tama kita tinjau spark gap. Jaraknya diatur supaya timbul loncatan listrik saat sumber dinyalakan. Ini berarti arus listrik meloncati udara dan mengalir menuju kapasitor dan kumparan primer. Selanjutnya, perhatikan kapasitor dan kumparan sekunder. Bagi yang belum tahu, kumparan memiliki suatu nilai yang disebut induktansi. Simbol induktansi sering menggunakan L, mungkin untuk “Lilitan” (hehe, ngasal lo). Induktansi menyatakan kuatnya medan magnet yang timbul jika kumparan itu dialiri listrik. Sementar itu, kapasitor memiliki kapasitansi C (dari “Capacitance) yang menyatakan banyaknya muatan listrik yang tersimpan jika ada tegangan.

Dalam pelajaran fisika, jika sebuah L dan sebuah C digandeng seperti ini, akan dihasilkan suatu rangkaian LC seri. Rangkaian ini memiliki frekuensi khusus yang nilainya sebesar:

f = \displaystyle\frac{1}{2\pi\sqrt{L C}}

Getaran ini mirip seperti sebuah balok yang digantung pada sebuah pegas, yang ketika digoyangkan akan memiliki frekuensi tertentu.

Sumber tegangan tinggi yang kita punya pastilah AC, yaitu arus bolak-balik. Frekuensinya bisa 50 Hz, sama dengan PLN, atau beberapa puluh ribu Hertz (kalau tahu bagaimana membuatnya). Bolak-balik berarti ada positifnya, ada negatifnya, dan ada nolnya. Nah, loncatan listrik pada spark gap hanya terjadi saat tegangannya tinggi, sedangkan ketika tegangannya nol tidak ada loncatan listrik. Karena cepat, loncatan listrik pada spark gap terlihat seperti ada terus.

Bagi rangkaian LC seri, setiap loncatan listrik bagaikan pukulan terhadap balok yang digantung pada pegas. Ketika balok dipukul, ia akan berayun dengan frekuensi dirinya. Demikian juga dengan LC seri, jika ada dorongan arus sekejap, akan timbul arus bolak-balik di dalam rangkaian LC seri yang frekuensinya ditentukan oleh rumus tadi. Biasanya bisa diatur supaya nilai frekuensi ini sekitar 100 kHz – 1 MHz. Sekarang mari kita L dan C lebih dekat. Tapi awas jangan terlalu dekat, nanti kesetrum!

Kumparan primer biasanya sebesar ember atau keranjang sampah kecil, 10-20 lilitan longgar (pakai kerangka kalau perlu, tapi JANGAN DARI LOGAM) berdiameter 20-30 cm, pokoknya pipa paralon muat di dalamnya. Tinggi lilitan kira-kira 30 cm. Bisa juga bentuknya datar seperti obat nyamuk, tetapi haruslah longgar dengan jarak antarkawat minimum 1 cm.

Kapasitor sepertinya harus dibuat sendiri, kecuali bisa beli entah di mana. Benda ini bisa dibuat dari botol kaca berisi air yang dibungkus aluminium foil. Pilih botol yang besar dan mulus. Terminalnya adalah aluminium foil dan air di dalamnya. Pikir sendiri bagaimana memasang kabelnya. Awas, harus diisolasi terhadap bumi. Styrofoam atau tupperware bagus digunakan untuk ganjal, mungkin perlu beberapa botol yang dihubungkan parallel (air dengan air, foil dengan foil). Yang jelas, hasilnya adalah sebuah kapasitor dengan ketahanan tegangan beberapa puluh kilovolt.

Kalau punya osiloskop atau frequency counter, alangkah baiknya dicoba dulu untuk tahu berapa frekuensi resonansi LC yang timbul. Jangan langsung dicolok barangnya, jauh-jauh saja rasanya sudah cukup. Selanjutnya, untuk kumparan sekunder, lilitkan kawat tembaga 0,3 mm pada paralon, kira-kira seribu lilit (harus sangat rapi) dan hanya boleh satu lapis. Ujung bawahnya dihubungkan ke bumi.

Bola aluminium (atau donat), walaupun tidak seperti kelihatannya, merupakan sebuah kapasitor. Menurut fisika, dua buah konduktor yang terpisah berkelakuan sebagai kapasitor. Artinya, muatan listrik bisa berkumpul berhadap-hadapan pada kedua konduktor. Dalam hal ini, konduktornya adalah bola dan bumi. Kalau tanganmu dekat-dekat, itulah konduktor. Itu sebabnya kita akan terkena setrum jika dekat-dekat dengan koil Tesla sungguhan yang sedang bekerja.

Jadi, ada satu lagi rangkaian LC seri, yaitu kumparan sekunder dan bola-bumi. Tentunya yang ini juga punya frekuensi diri, dan entah kenapa kok sepertinya semua jadi masuk akal kalau frekuensi ini disetel supaya sama dengan frekuensi LC satunya. Jika semua sudah diatur sehingga kedua frekuensi LC sama, kita akan dapatkan sesuatu yang disebut hubungan induktif resonansi. Resonansi berarti frekuensi yang satu sama dengan lainnya, sedangkan induktif berarti berhubungan dengan medan magnet.

Dalam keadaan ini, energi yang tersimpan dalam satu sistem akan dibagi bersama dengan sistem lainnya. Sistem pertama adalah LC yang dikejut-kejutkan oleh spark gap sehingga dapat bergoyang dengan frekuensi megahertz, sedangkan sistem kedua adalah menara Tesla paralon bertopi bola. Melihat sistem yang satu bergoyang dengan penuh energi, sistem kedua juga ikut-ikutan bergoyang dengan frekuensi sama.

Sayangnya, sistem kedua terdiri dari L yang besar sekali dan C yang kecil sekali. Jadinya, untuk nilai energi beberapa watt, akan timbul tegangan yang tinggi sekali di ujung bola terhadap bumi jika dibandingkan dengan tegangan sumber kita. Tegangan yang dihasilkan bisa di atas ratusan ribu volt! Tidak usah dipegang, cukup atur jarak 15 cm. Jangan lama-lama!
Karena bisa berbahaya, siapkan teman di dekatmu ketika bermain dengan koil Tesla.

“Aku sudah buat semuanya, tapi tidak terjadi apa-apa!”

Malang sekali nasibmu, Nak! Jika memang demikian, coba atur-atur jumlah lilitan kumparan primer, tambah atau kurangi botol kapasitor. Semoga beruntung.

Beberapa pertanyaan (P) dan kemungkinan jawabannya (J)

P: Kumparan primer dan sekunder mirip dengan yang ada di trafo. Apa bedanya?

J: Trafo tidak digunakan pada frekuensi resonansi. Sama saja dengan sistem balok-pegas yang dipaksa untuk bergoyang terlalu cepat. Oleh karenanya, perbandingan tegangan masukan dan keluaran trafo sama dengan perbandingan jumlah lilitan. Pada koil Tesla, perbandingan tegangan bisa lebih besar. Tegangan keluaran koil Tesla dibatasi oleh kesalahan setelan frekuensi, udara, atau faktor kualitas resonansi (Wikipedia: Q factor). Untuk nilai energi tertentu, ada laju energi terbuang. Semakin kecil energi terbuang ini, semakin besar tegangan yang bisa timbul. Faktor kualitas trafo mungkin sangat kecil dan tergantung beban.

P: Kenapa bola bisa diganti donat? Dari mana dapatnya?

J: Entahlah, tetapi banyak koil Tesla yang dibuat dengan bentuk donat. Ambil saja dari koil Tesla bekas atau generator van de Graaf bekas.

P: Dari mana dapat sumber tegangan tinggi 1-10 kV?

J: Ada dua cara. Pertama, buat trafo step-up dari 220 V (PLN) sampai 10000 V. Kalau ada peragaan iptek, biasanya ada alat yang disebut Jacob’s Ladder. Di sekitar situ mungkin ada trafonya. Penulis pernah lihat trafo alat tersebut yang kira-kira sebesar printer. Kedua, buat osilator 10 kHz, 5 V dengan osilator 555 atau Schmitt trigger atau yang lain, kuatkan dengan transistor MOSFET atau yang lain. Pasang ke trafo flyback yang ada di setiap monitor CRT, atau mungkin koil busi juga bisa. Entah apa jadinya. Ketiga (cara bonus),  dari PLN, buat rangkaian pengali tegangan 10 kali. Batasi arusnya dengan lampu bohlam 40 Watt. Risiko ditanggung sendiri, mulai dari kapasitor meledak sampai kesetrum.

P: Jadi, apa yang dilakukan para Tesla Troopers, dan kenapa Tesla Tower hanya menyerang musuh? Bagaimana pula cara kerja Prism Tower, apakah meresonansikan cahaya?

J: Wah, sepertinya itu di luar jangkauan pengetahuan kami. Coba tanya pembuat game-nya.

Penulis:
Eko Widiatmoko, guru fisika di SMA Aloysius Bandung, alumnus ITB.
Kontak: e_ko_w(at)yahoo(dot)com.