• Author / Uploaded
• Vero Alvarenga

Citation preview

UNIVERSIDAD FRANCISCO GAVIDIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y SISTEMAS

ASIGNATURA: FÍSICA III CARRERA: INGENIERÍA INDUSTRIAL TEMA: LA BOBINA TESLA CATEDRÁTICO: ING. LUÍS MEJÍA INTEGRANTES: NOMBRE

CARNÉ

CARBAJAL CARBAJAL, CARLOS WILFREDO

CC103411

PÉREZ DE CARPIO, KATHERINE SUSANA

PC102410

SÁNCHEZ ARDÓN, JOAQUÍN ERNESTO

SA101110

VALIENTE ALVARENGA KARLA VERÓNICA

VA100411

PEREZ, ORLANDO ANTONIO

FECHA DE ENTREGA: 02/12/18

INDICE 1.

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 3

1.1. REDACCION DEL TEMA ESPECIFÍCO ............................................................................................................. 3 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................................................. 4 1.2.1. ENUNCIADO DEL PROBLEMA .................................................................................................................... 5 1.2.2. DELIMITACIÓN .......................................................................................................................................... 6 1.2.3. ALCANCES Y LIMITACIONES ...................................................................................................................... 7 ALCANCES: .......................................................................................................................................................... 7 LIMITACIONES: ................................................................................................................................................... 7 1.2.4. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................................................................. 8 1.2.4.1.

Objetivo general ........................................................................................................................... 8

1.2.4.2. Objetivos Específicos ............................................................................................................................. 8 2. MARCO TEORICO ............................................................................................................................................ 9 LA BOBINA DE TESLA .......................................................................................................................................... 9 2.1 RESEÑA HISTORICA ..................................................................................................................................... 10 Primeras bobinas .............................................................................................................................................. 10 TIPOS DE BOBINAS TESLA. ................................................................................................................................ 10 Solenoide y toroide .......................................................................................................................................... 11 Bobinas Tesla disruptivas ................................................................................................................................. 13 3. METODOLOGÍA PARA EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN............................................................................. 15 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................................................... 15 BOBINAS DE TESLA ACTUALES .......................................................................................................................... 15 Uso de las bobinas para transmisión y recepción: Generación de pulsos de RF .............................................. 21 Configuración alternativa de una bobina Tesla ................................................................................................ 25 PRODUCCION DE LAS CARGAS ......................................................................................................................... 27 PELIGROS DE LOS MANEJOS DE LAS BOBINAS DE TESLA. ................................................................................. 29 USO DE LAS BOBINAS TESLA ............................................................................................................................. 32 3.2. AREA DE ESTUDIO ...................................................................................................................................... 36 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 38 5.1 CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 38 5.2. RECOMENDACIONES ................................................................................................................................. 39 6. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................... 40 6.1. GLOSARIO DE TERMINOS........................................................................................................................... 40 6.2. DOCUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA .................................................................................................... 42 Materiales a utilizar .......................................................................................................................................... 43

2

1.

INTRODUCCIÓN

1.1. REDACCION DEL TEMA ESPECIFÍCO

El presente informe da a conocer la bobina de Tesla, llamada así por el inventor Nikola Tesla. La bobina de Tesla está compuesta por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados que generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de pocos metros, lo que las hace muy espectaculares. No obstante, estas bobinas proporcionan corrientes muy bajas, aunque muy superiores a las que se podían obtener en la época de Tesla con las fuentes de alta tensión de entonces, que eran máquinas electrostáticas. Durante el desarrollo del trabajo, mostraremos la elaboración de esta, así como también los beneficios que trajo este invento a nuestra sociedad en general. Además, daremos a conocer los principales fenómenos físicos que genera la bobina de Tesla mediante la elaboración de la misma.

3

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se plantea que actualmente la sociedad enfrenta una diversidad de problemas relacionados con las fallas de transmisión eléctrica convencional debido a que sus instalaciones y estructuras causan cortes de luz, por la cual la bobina de tesla puede suplir esta necesidad, ya que puede amplificar el potencial eléctrico de su fuente, por lo que es de gran utilidad cuando la fuente eléctrica tiene un bajo potencial eléctrico. El realizar el prototipo de la bobina de tesla surgió al momento en que la asignatura de física 3 se estudió el tema de Campo Eléctrico en el cual nos dio un interés de como seria aplicar la introducción al electromagnetismo.

4

1.2.1. ENUNCIADO DEL PROBLEMA

El presente informe se ha realizado con la finalidad de utilizar la bobina de tesla casera como método de respaldo o de segunda opción al momento de necesitar energía eléctrica. Por lo que nosotros proponemos un sistema basado en la bobina de tesla, con la finalidad de disminuir el consumo excesivo de la energía eléctrica proveniente de plantas eléctricas.

El experimento que realizamos como prototipo nos ayudó a entender la aplicación de los conceptos de campo eléctrico.

5

1.2.2. DELIMITACIÓN



El periodo determinado para realizar el prototipo es en la primera semana

de octubre, lo que es necesario para recopilar datos que se introducirán en el informe. 

La entrega del reporte es el día 14 de octubre de 2018.



La fecha determinada para realizar dicho experimento en clases es en la

semana del 24 de noviembre al 1 de diciembre de 2018.

6

1.2.3. ALCANCES Y LIMITACIONES ALCANCES: El informe abarca únicamente datos recopilados mediante el prototipo de la bobina de tesla, explica su funcionamiento y teoría básica. Se conoce como puede ser utilizada la bobina de tesla y cual es el uso apropiado que se le puede dar. Que puede ser utilizado dentro y fuera nuestras casas, es decir interna y externamente, su función es proveer energía a nuestros aparatos electrónicos inalámbricamente (sin conexiones).

LIMITACIONES: 

El periodo de tiempo para hacer un embobinado.



La falta de información que se puede tener de la bobina de tesla.

 Se presentaron varios inconvenientes a la hora de realizar dicho proyecto ya que algunos materiales a utilizar fueron difíciles de conseguir y usar al momento de la elaboración.  Los peligros que se presentaron al realizar el prototipo de la bobina de tesla.

7

1.2.4. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.4.1. 

Objetivo general

Exponer las principales características, principios de funcionamiento y

construcción del prototipo de la bobina de Tesla.

1.2.4.2. Objetivos Específicos



Conocer las características y principios de funcionamiento de una bobina de

Tesla.



Construir un prototipo de la bobina de Tesla.



Exponer el prototipo construido en la clase de física 3 con la finalidad de

observar cómo se genera un campo magnético.

8

2. MARCO TEORICO

LA BOBINA DE TESLA Para la construcción y entendimiento del principio de funcionamiento de una Bobina de Tesla, es importante tener en cuenta los siguientes conceptos:

Una bobina de Tesla, o simplemente bobina Tesla, es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, el gran científico de origen croata y nacionalizado norteamericano Nikolas Tesla. Son transformadores de alta frecuencia que son auto resonante, y en realidad hay varios tipos de bobinas Tesla, ya que Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones de funcionamiento. Generalmente las bobinas de Tesla generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de pocos metros, lo que las hace muy espectaculares. No obstante, estas bobinas proporcionan corrientes muy bajas, aunque muy superiores a las que se podían obtener en la época de Tesla con las fuentes de alta tensión de entonces, que eran máquinas electrostáticas.

9

2.1 RESEÑA HISTORICA

Primeras bobinas La revista American Electrician dio una descripción de una de las primeras bobinas de Tesla, según la cual, a un vaso acumulador de cristal de 15 cm por 20 cm se le enrollaban entre 60 y 80 vueltas de hilo de cobre de calibre 18 AWG. Alrededor de éste se situaba una bobina primaria consistente en unas 8 o 10 vueltas de hilo de cobre de calibre 6 AWG, y el conjunto se sumergía en un vaso que contenía aceite de linaza o aceite mineral.

TIPOS DE BOBINAS TESLA. Bobina clásica de Tesla Estos particulares bobinas de Tesla utilizan la tecnología de brecha de chispa y dos etapas de operación para aumentar la tensión de línea. Contienen un transformador de núcleo de hierro convencional y un transformador con núcleo de aire resonante (la bobina de Tesla real) que trabaja en dos etapas para crear aumentos de alto voltaje. La brecha de chispa crea arcos sobre la alta tensión, y es tan poderosa que puede causar daños a los ojos si se mira directamente. Bobina de Tesla con tubo de vacío (VTTC) Una bobina Tesla con tubo de vacío, también conocido como un VTTC (por sus siglas en inglés), es único, ya que no utiliza una separación de encendido primario. El tubo de vacío proporciona la amplificación para generar energía RF para el circuito primario. Por lo general, opera con voltajes entre 1500 y 6000 voltios. La salida está determinada por la cantidad de potencia producida por el tubo de vacío. Esta energía se bombea continuamente a la bobina de Tesla secundaria. Bobina de Tesla de estado sólido (SSTC) 10

Una bobina Tesla de estado sólido es la versión moderna del diseño original de Tesla. La diferencia entre la bobina clásica y el SSTC es que los condensadores de tanques y espinterómetros han sido reemplazados por componentes de estado sólido. Una bobina de Tesla de estado sólido es un amplificador de potencia de una bobina secundaria en la resonancia. Las SSTC afinan la bobina secundaria al circuito de conmutación de estado sólido. La bobina de Tesla de estado sólido produce menos potencia que el diseño de chispa de la bobina clásica. Bobina de Tesla de estado sólido con resonador doble (DRSSTC) La bobina de Tesla de estado sólido con doble resonante (DRSSTC, por sus siglas en inglés) es una modificación de la bobina de Tesla de estado sólido. Jimmy Hynes inventó la bobina resonante dual y, con el tiempo, trabajó con Steve Ward para perfeccionarla. La DRSSTC es diferente de la SSTC porque se sintoniza la bobina secundaria al circuito de conmutación de estado sólido y también sintoniza el circuito primario al circuito de conmutación de estado sólido. Parecen bobinas de tipo perturbadores, ya que son capaces de producir arcos de hasta 55 pulgadas (1,4 m).

Solenoide y toroide EL SOLENOIDE ¿ que es un solenoide? • Se le denomina solenoide al conjunto de espiras iguales y paralelas dispuestas a lo largo de una determinada longitud que son recorridas por una misma intensidad de corriente que por su diseño genera un campo magnético de gran intensidad. EN PRACTICA: • Una aproximación real a un solenoide sería una bobina. • Dentro de la bobina se genera un campo magnético uniforme. • Cuando mas larga es la bobina más uniforme es el campo. CAMPO MAGNETICO CREADO POR UN SOLENOIDE • Un campo magnético de un solenoide depende de la intensidad del largo del solenoide y del número de

11

espiras que este posee y tiene las líneas de fuerza en su interior. Dichas líneas son perpendiculares al plano de la espira y encerradas sobre sí mismas. Fórmula para calcular campo magnético: campo magnético del centro del solenoide • µ: permeabilidad magnética. (permeabilidad magnética del vacío: µ 0 = 4 π x 10 -7 T.m/A) • N: número de espiras del solenoide. • I: corriente que circula. • L: longitud total del solenoide. Campo Magnético= permeabilidad x densidad de vueltas x corriente EL TOROIDE ¿ QUE ES UN TOROIDE? “Un Toroide es un solenoide de N vueltas doblado circularmente y de tal manera que se unen sus extremos” CAMPO MAGNETICO DE UN TOROIDE • Un toroide tiene un campo magnético en el interior de sí mismo que forma una serie de círculos concéntricos, fuera de él el campo es nula. • La fuerza de este campo magnético depende el número de espiras que el toroide tiene en su cuerpo. • Dado que el campo magnético en el toroide está confinado en el interior, los toroides y transformadores toroidales se pueden colocar de otros componentes electrónicos sin preocupación acerca de las interacciones inductivas no deseadas. • Son más difíciles de bobinar y sintonizar, sin embargo son más eficientes en la producción de inductancias necesarias. • Un toroide requiere menos vueltas y puede hacerse más pequeño en tamaño.

12

Bobinas Tesla disruptivas En la primavera de 1891, Nikola Tesla realizó una serie de demostraciones con varias máquinas ante el American Institute of Electrical Engineers del Columbia College. Continuando las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia de William Crookes, Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia, asociadas a condensadores (capacitores). Estos condensadores consistían en placas móviles en aceite. Cuanto más pequeña era la superficie de las placas, mayor era la frecuencia de estas primeras bobinas. Las placas resultaban también útiles para eliminar la elevada autoinductancia de la bobina secundaria, añadiendo capacidad a ésta. También se colocaban placas de mica en el explosor para establecer un chorro de aire a través de él. Esto ayudaba

13

a extinguir el arco eléctrico, haciendo la descarga más abrupta. Una ráfaga de aire se usaba también con este objetivo. Los condensadores se conectan a un circuito primario doble (cada bobina en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente. Cada primario tiene veinte vueltas de cable cubierto por caucho Nº 16 B&S y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3 mm. El secundario tiene 300 vueltas de cable magnético cubierto de seda Nº 30 B&S, enrollado en un tubo de caucho y en sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho. Los primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar la segunda bobina entre ambos. Los primarios deben cubrir alrededor de 5 cm del secundario. Debe colocarse una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de las primarias que no están conectados con los condensadores se dirigirán al explosor. En System of Electric Lighting(23 de junio de 1891), Tesla describió esta primera bobina disruptiva. Concebida con el propósito de convertir y suplir energía eléctrica en una forma adaptada a la producción de ciertos nuevos fenómenos eléctricos, que requerían corrientes de mayores frecuencia y potencial. También especificaba un mecanismo descargador y almacenador de energía en la primera parte de un transformador de radiofrecuencia. Ésta es la primera aparición de una alimentación de corriente de RF capaz de excitar una antena para emitir potente radiación electromagnética. Otra de estas primeras bobinas Tesla fue protegida en 1897 por patente, Electrical Transformer. Este transformador desarrollaba (o convertía) corrientes de alto potencial y constaba de bobinas primaria y secundaria (opcionalmente, uno de los terminales de la secundaria podía estar conectada eléctricamente con la primaria; similarmente a las modernas bobinas de encendido). Esta bobina Tesla tenía la secundaria dentro y rodeada por las conclusiones de la primaria. Esta bobina Tesla constaba de bobinas primaria y secundaria enrolladas en forma de espiral plana. El aparato estaba también conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento. 14

3. METODOLOGÍA PARA EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN BOBINAS DE TESLA ACTUALES

Las bobinas Tesla empleadas actualmente corresponden a este último tipo de bobinas, y son las que construyen usualmente ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. Son bobinas-transformadores autorresonantes con núcleo de aire que generan muy altas tensiones a elevadas frecuencias (desde unas decenas de kilohertcios a algunos Megahertcios, según la construcción de la bobina). La bobina alcanza una gran ganancia de tensión transfiriendo energía durante un número de ciclos desde el arrollamiento primario al secundario (en bobinas excitadas a chispa), estando constituidos ambos arrollamientos como circuitos resonantes. Ambos arrollamientos están sintonizados a la misma frecuencia. Las bobinas de Tesla modernas constan típicamente de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductancia-condensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un chispero (explosor), y el arrollamiento primario; y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por el arrollamiento secundario, que suele ser terminado en su parte superior en un toroide metálico. Al aplicar una alta tensión alterna o pulsante al circuito primario, las chispas generadas en el explosor o chispero producen fuertes impulsos de radiofrecuencia cuya frecuencia dependerá de los condensadores y del bobinado primario. Modernamente se puede emplear un circuito electrónico realizado con lámparas o con transistores de potencia configurado con el arrollamiento primario de la bobina como circuito oscilador de alta frecuencia de potencia. Físicamente, el arrollamiento primario es un arrollamiento de un número bajo de espiras (desde muy pocas espiras a un par de decenas como máximo), mientras que el arrollamiento secundario es un arrollamiento cilíndrico de una sola capa de 15

espiras, con un número de espiras elevado (varios cientos o pocos miles de espiras), de una longitud mucho mayor que el arrollamiento primario, y en el que las espiras están juntas (por lo que debe realizarse con hilo de cobre esmaltado o bien aislado). El arrollamiento secundario presenta una frecuencia de autorresonancia elevada (de cientos o miles de kilohertcios) que está determinada por la elevada inductancia del arrollamiento secundario y la baja capacidad parásita entre espiras que presenta el arrollamiento. Si al arrollamiento primario se le aplica corrientes a la frecuencia de autorresonancia de la bobina, se obtienen entre los extremos del arrollamiento secundario muy elevadas tensiones de RF que pueden alcanzar valores de decenas o centenas de miles de voltios (depende de la potencia de las corrientes aplicadas al arrollamiento primario), lo que crea una fuerte ionización en el aire, que puede fácilmente originar descargas de corona alrededor del terminal de alta tensión del arrollamiento secundario (el otro terminal se conecta a tierra), y vistosas descargas eléctricas (similares a los rayos) entre dicho terminal de alta tensión del arrollamiento secundario y el aire que lo circunda, y que puede alcanzar a objetos que estén próximos, sobre todo si tienen contacto físico con el suelo. Las elevadísimas tensiones de RF generadas en la bobina Tesla no se explican solo por la simple relación del número de espiras entre el arrollamiento primario y el arrollamiento secundario (como ocurriría en cualquier transformador eléctrico ordinario), sino que interviene la autorresonancia del arrollamiento secundario. De hecho, si se varía un poco la frecuencia de las corrientes aplicadas al arrollamiento primario, el valor de la alta tensión generada en el arrollamiento secundario decae notablemente, y ello es debido a que la autorresonancia del arrollamiento secundario es muy aguda, debido al alto valor de inductancia (milihenrios) y la baja capacidad parásita (unos cuantos picofaradios) del arrollamiento secundario: Dicho técnicamente, el arrollamiento secundario presenta un valor de Q muy elevado.

16

El valor de la capacidad parásita del arrollamiento secundario es tan bajo, que puede ser significativamente alterado por la presencia de objetos próximos a la bobina (por ejemplo, acercando la mano a la bobina en el caso de bobinas de pequeña potencia), que también introducen una capacidad parásita adicional, pudiendo variar la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario notablemente. El arrollamiento secundario de la bobina Tesla se comporta más bien como una corta antena resonante en la cual la tensión entre sus extremos alcanza su máximo valor cuando la "longitud eléctrica" de esta antena corresponda a 1/4 de la longitud de onda a su frecuencia de trabajo. Debido a las altísimas tensiones que se desarrollan en el arrollamiento secundario de la bobina Tesla, el hilo con que está realizado debe ser un hilo que esté bien aislado eléctricamente para evitar daños por chispas que puedan saltar (además, la tensión entre espira y espira contigua puede alcanzar altos valores), y por el mismo motivo, el arrollamiento primario no está arrollado directamente sobre el arrollamiento secundario, sino que hay una separación suficiente entre las espiras de ambos arrollamientos (por ejemplo, el diámetro de las espiras del arrollamiento primario es bastante superior a las del arrollamiento secundario). Ello implica que, a diferencia de los transformadores convencionales, el acoplamiento entre arrollamientos primario y secundario sea bajo (del orden del 10 al 20%, frente a un 97% típico de los transformadores convencionales). Este bajo acoplamiento entre arrollamientos también es el responsable de que, como se ha citado anteriormente, la transferencia de energía del arrollamiento primario sobre el arrollamiento secundario no alcance su máximo hasta al cabo de varios ciclos de RF (y no inmediatamente), alcanzándose entonces el máximo valor de tensión de RF en el arrollamiento secundario (El tiempo en que tarda en alcanzarse el máximo valor de la tensión de RF en el secundario disminuye al aumentar el acoplamiento entre arrollamientos). A pesar de las pérdidas que serían esperables por tan bajo acoplamiento entre arrollamientos, al estar ambos 17

arrollamientos sintonizados, se llega a transferir al arrollamiento secundario hasta un 85% de la energía que es almacenada inicialmente en el condensador del circuito primario de la bobina. El requerimiento realmente importante de cualquier bobina Tesla es que los circuitos primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia de resonancia para permitir transferencias eficientes de energía entre ambos (algo bastante

importante,

teniendo

en

cuenta

el

bajo

acoplamiento

entre

arrollamientos). Mientras que el arrollamiento secundario es de por sí autorresonantes, el arrollamiento primario se debe llevar a la misma frecuencia de resonancia mediante condensadores externos. Para ello originariamente se empleó un condensador de alta tensión y un chispero o explosor para generar sobre el circuito primario impulsos de RF a la frecuencia de la bobina Tesla (es la tecnología de los primeros transmisores de radio de la época de Marconi, los transmisores de chispa, que se emplearon como estaciones de telegrafía sin hilos hasta los años 1920's), empleándose posteriormente un alternador de alta frecuencia para excitar el arrollamiento primario. El valor del condensador del circuito primario debía ser aquél que pusiera al arrollamiento primario en resonancia a la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario. Actualmente en las más modernas bobinas Tesla el arrollamiento primario es excitado por un oscilador electrónico de RF de potencia, operando a la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario. El oscilador, seguido de un amplificador de potencia, ha de ser capaz de entregar al arrollamiento primario tensiones de RF del orden de 100 a 800 V, y los osciladores-amplificadores de RF más adecuados para ello son los realizados con lámparas electrónicas (actualmente anticuadas, y que requieren elevadas tensiones de alimentación), transistores bipolares (menos empleados) o transistores MOSFET de potencia o IGBT, estos últimos empleados para conmutar las corrientes aplicadas al arrollamiento primario de una manera muy rápida.

18

El arrollamiento secundario se suele realizar sobre un soporte cilíndrico aislante, a espiras juntas, y normalmente se dispone en posición vertical. Uno de los extremos del arrollamiento secundario, el extremo inferior, debe ser conectado a una toma de tierra, mientras que el otro extremo, el superior, se lleva a un electrodo terminal (situado en el extremo superior del soporte cilíndrico) con forma de esfera o toro metálico, de curvatura suave, de manera que forme una superficie conductora grande. Esta especie de sombrero metálico presenta una cierta capacidad con respecto a tierra, aunque de bajo valor, pero afecta por ello a la resonancia

del

bobinado

secundario,

modificando

su

frecuencia

de

autorresonancia. No obstante, esta baja capacidad relativa del sombrero superior permite que se cargue a la mayor tensión respecto a tierra que es posible. La superficie conductora exterior de dicho elemento es donde principalmente se acumula la carga eléctrica (ya que actúa como la armadura de un condensador). Por diversos motivos, la forma de toro es la que mejores resultados proporciona para el sombrero superior del arrollamiento secundario. Este elemento conductor superior posee un gran radio de curvatura. Este diseño de curvatura amplia pero suave permite al elemento superior acumular cargas eléctricas (en su superficie externa) a muy altas tensiones sin generar coronas o chispas lanzadas sobre el arrollamiento debido al intenso campo eléctrico que se genera alrededor de dicho elemento superior. Con ello se consigue controlar este intenso campo eléctrico y que el elemento superior lance las chispas provocadas directamente fuera, al aire, lejos de los arrollamientos de la propia bobina. El propio Tesla, durante su proceso de aplicación de patentes, describió variados terminales resonadores para la parte superior de las bobinas que desarrolló posteriormente, que incluían un terminal con forma de toro, y varios terminales semi-esféricos y oblongados (según Tesla, los terminales podían ser usados para producir ondas longitudinales y, secundariamente, ondas transversales "Hertzianas"). Actualmente, la mayoría de las bobinas Tesla modernas usan toroides simples, generalmente fabricados de

19

metal fundido o de aluminio flexible, para controlar el intenso campo eléctrico cerca de la parte superior de la secundaria. En cuanto al arrollamiento primario, típicamente suele ser un arrollamiento de pocas espiras, pero con un diámetro de espiras notablemente mayor que el del arrollamiento secundario, y en cuyo interior se dispone concéntricamente la parte inferior del arrollamiento secundario (la parte conectada a tierra). Como se ha dicho anteriormente, esta configuración da lugar a un bajo acoplamiento magnético entre arrollamientos (más concretamente entre el arrollamiento primario y la parte inferior del arrollamiento secundario), pero ello protege al arrollamiento primario de las descargas que provocan las altas tensiones que se generan el arrollamiento secundario. Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar chispas eléctricas de gran longitud, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin hilos (entre otros usos), de tal manera que Tesla usaba arrollamientos de gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona debidas a las altas tensiones generadas. Circuito equivalente de una bobina Tesla. L1 y L2

representan

las

inductancias

arrollamientos

primario

respectivamente.

C2

capacidades

es

parásitas

y la del

de

los

secundario suma

de

las

arrollamiento

secundario más la capacidad respecto a tierra del sombrero superior, y junto con L2 determina la

frecuencia

de

autorresonancia

del

arrollamiento secundario. C1 es el condensador externo necesario para poner al arrollamiento primario (L1) en resonancia a la frecuencia de autorresonancia del secundario.

20

Uso de las bobinas para transmisión y recepción: Generación de pulsos de RF Tesla aplicó las bobinas que desarrolló para la transmisión de señales inalámbricas a distancia en la época inicial de las primeras comunicaciones sin hilos, o inicios de la radio, y para ello operaba las bobinas con circuitos muy similares a los primeros transmisores de radio inalámbricos, los transmisores de chispa: la electrónica no existía por entonces, y los impulsos de radiofrecuencia se conseguían aplicando una tensión suficientemente elevada (alterna o impulsiva) a un circuito resonante LC en el que había un chispero o explosor, de manera que cuando la tensión aplicada entre electrodos del explosor alcanzaba la tensión de ruptura del aire, saltaba una chispa entre ambos electrodos. En cada chispa se generaba un breve impulso de RF debido a la descarga auto oscilante que ello provocaba en la carga acumulada en el condensador de sintonía a través de la bobina primaria y del chispero. Pero mientras en las bobinas de Tesla se emplea un arrollamiento secundario que genera elevadas tensiones en el terminal conectado en su extremo superior, en los transmisores inalámbricos de chispa (que en realidad se basaron en las bobinas de Tesla) el arrollamiento secundario no estaba pensado especialmente para producir tensiones de radiofrecuencia elevadas, y su extremo superior se conectaba a un largo hilo tendido en el aire, la antena del transmisor. Las características eléctricas (inductancia y capacidad) del arrollamiento secundario y del hilo de antena conectada a éste determinaban la frecuencia de transmisión del transmisor de chispa. En cuanto a la recepción de las señales, Tesla usaba una bobina similar a la del transmisor, ya que, debido a la reciprocidad electromagnética, los parámetros electromagnéticos de una bobina Tesla transmisora son aplicables idénticamente para ser empleada como bobina receptora. El campo eléctrico generado por la bobina transmisora podía inducir corrientes en la bobina receptora distante. Captadas con el arrollamiento secundario de la bobina receptora, ésta debía actuaba como transformador reductor de tensión, para obtener en la salida del 21

arrollamiento primario una tensión mucho menor, pero de mayor intensidad de corriente. Sin embargo, Tesla apenas consideró cuestiones de acoplamientos de impedancias en las bobinas receptoras. Con estas bobinas, Tesla consiguió demostrar la transmisión de potencia eléctrica sin cables de un transmisor a un receptor. Incluso Tesla sugirió (y trabajó en ello) que sus bobinas podían ser empleadas para captar por inducción energía del campo magnético de la Tierra y de otras fuentes de energía radiante, lo que podía ser una fuente de energía eléctrica gratuita. Para los transmisores se llegaron a emplear enormes bobinas Tesla capaces de operar con niveles de potencia con picos muy altos, de incluso varios megavatios (millones de vatios), y capaces de producir tensiones eléctricas de cientos de miles e incluso el millón de voltios en el arrollamiento secundario. Estas potentes bobinas debían ser ajustadas y operadas cuidadosamente, no sólo por razones de eficiencia y economía, sino también por razones de seguridad. En efecto, el arrollamiento secundario tiene un comportamiento muy próximo al de una antena de cuarto de onda eléctrico, y si se producía un ajuste inadecuado de la frecuencia de operación aplicada a la bobina, el punto de máxima tensión de RF en el circuito secundario de la bobina podía no estar situado en el electrodo del extremo de la bobina (como ocurre en una antena de cuarto de onda sobre plano de tierra), sino que podía quedar situado por debajo del electrodo, a lo largo de la bobina secundaria, y se podían producir entonces chispas de descarga en la propia bobina que podían dañar o destruir el cable de la bobina, sus soportes o incluso objetos cercanos. Tesla experimentó con varias configuraciones de circuitos (ver más abajo), similares a las empleadas en los primitivos transmisores inalámbricos de chispa. En todos ellos el arrollamiento primario de la bobina, el chispero o explosor (spark gap) y las armaduras del condensador (que ha de ser de alta tensión) están conectados en serie. Mediante un transformador de corriente alterna que sea 22

elevador de tensión (o mediante un carrete de Ruhmkorff alimentado en corriente continua en el caso de bobinas de pequeña potencia) se aplica una alta tensión alterna al condensador, con lo que en cada semiciclo de la tensión alterna aplicada, ésta va cargando las armaduras del condensador, hasta que la diferencia de tensión que aparece entre los dos electrodos del explosor es lo suficientemente alta como para provocar una descarga disruptiva en el chispero (Esta tensión de ruptura solía ser del orden de varios miles de voltios con los chisperos empleados entonces; la tensión de ruptura del aire es del orden de 30 kV por centímetro). Ello disminuye casi instantáneamente la tensión entre electrodos del chispero a un valor bastante inferior (debido a la ionización del aire entre electrodos, volviéndolo conductor), lo que provoca que la carga acumulada hasta ese momento por el condensador se descargue a través del chispero, circulando la corriente de descarga por el arrollamiento primario de la bobina Tesla. La corriente que circula por el arrollamiento primario hace que éste almacene energía en forma de campo magnético, y al cesar la descarga del condensador, esta energía es devuelta al circuito en forma de corriente auto inducida, que carga de nuevo al condensador, aunque con polaridad inversa y con una tensión de carga menor (debido a las pérdidas óhmicas en el circuito y a pérdidas por radiación de energía). Ello provoca una nueva descarga disruptiva en el chispero y se vuelve a repetir el ciclo, cada vez con una tensión de carga menor y con cambios de polaridad en la carga del condensador cada vez. El resultado: El arrollamiento primario junto con el condensador entran en oscilación generando breves trenes de ondas de alta frecuencia de gran potencia instantánea inicial, pero que se extinguen muy rápidamente (es una "oscilación amortiguada"), por lo que son impulsos de RF de pocos ciclos de señal alterna y duraciones típicas de pocos microsegundos. Estos impulsos se inducen en el arrollamiento secundario, transfiriéndose la energía de RF al arrollamiento secundario y provocando con ello las elevadas tensiones generadas en el extremo superior del arrollamiento.

23

Generación de los impulsos amortiguados de RF. En el gráfico A se inicia la carga del condensador C con la corriente de alta tensión suministrada al circuito. Cuando se alcanza la tensión de ruptura del aire en el explosor, salta la chispa disruptiva y se produce la descarga del condensador C a través del explosor (gráfico B). La corriente de descarga circula por la bobina L, y vuelve a cargar el condensador C, aunque con polaridad invertida (gráfico C), repitiéndose de nuevo otro ciclo de descarga, aunque con una potencia instantánea menor, y así sucesivamente hasta que se extingue el impulso de RF al cabo de varios ciclos de amplitud cada vez menor. Al estar acoplados el arrollamiento primario al arrollamiento secundario de la bobina, parte de la energía que circula por el arrollamiento primario se transfiere al arrollamiento secundario, y el efecto de carga de éste sobre el arrollamiento

24

primario condiciona que la frecuencia de oscilación de los impulsos de RF que se generan en el circuito primario en las descargas en el chispero sea la frecuencia de autorresonancia del circuito secundario (arrollamiento secundario y electrodo toroidal superior, o el hilo de antena en los transmisores inalámbricos de chispa). El arrollamiento secundario del transformador de alimentación no interviene prácticamente en este proceso, ya que se comporta a todos los efectos como un choque de RF. Este circuito de ejemplo está diseñado para ser alimentado con corrientes alternas. Aquí el chispero deriva las altas frecuencias mientras permanece ionizado el aire que separa los electrodos del chispero, protegiendo con ello el secundario del primer transformador de los picos de tensión de RF. No obstante, se incluía una inductancia de choque de RF, no mostrada aquí, para proteger de las altas tensiones de RF al secundario del transformador de corriente alterna.

Configuración alternativa de una bobina Tesla También está alimentado por corrientes alternas. Sin embargo, aquí el transformador de alimentación de corriente alterna debe ser capaz de soportar altas tensiones a altas frecuencias. Los distintos experimentos han demostrado que el comportamiento de cualquiera de los circuitos probados por Tesla era similar, y entre los dos circuitos mostrados, ninguno de ellos ofrece alguna ventaja de rendimiento sobre el otro. Sin embargo, el primer circuito mostrado es el más típicamente usado, ya que, en él, al actuar el chispero, previene que las oscilaciones de alta frecuencia retornen hacia el transformador de alimentación, mientras que para el segundo circuito los potentes impulsos de RF generados en cada descarga del chispero no solamente aparecen aplicados a las armaduras del condensador, sino que también son aplicados al arrollamiento secundario del transformador de alimentación. Dado que estos impulsos de RF poseen elevadas tensiones de pico, pueden inducir descargas de corona entre las espiras de los arrollamientos del transformador de alimentación, que pueden deteriorar y eventualmente destruir el aislamiento de los 25

arrollamientos del transformador, haciendo que este funcione defectuosamente. Aunque no se muestra en estos dos circuitos, para evitar estos problemas, se protegía el arrollamiento secundario del transformador de alimentación aislándolo de los potentes impulsos de RF mediante choques de RF adecuados en serie con los terminales de salida del arrollamiento secundario. La alternativa sería emplear un transformador de alimentación cuyo arrollamiento secundario esté preparado para aguantar altas tensiones (empleando un hilo recubierto de un buen aislante), o emplear algún filtro paso-bajo (realizado con una red de resistencias y condensadores) entre el secundario del transformador y el resto del circuito.

Bobina Tesla con choque de RF para proteger el suministro de corriente de alta tensión. Entre A y B se suministra la alta tensión (varios miles de voltios) procedente de un transformador de red de alta tensión, cuyo arrollamiento secundario es protegido de los elevados picos de alta tensión de los impulsos

de

RF

generados

por

las

descargas en el explosor.

En cualquier caso, el transformador de alta tensión empleado ha de tener la característica de que pueda limitar las corrientes que proporciona el arrollamiento secundario, algo importante para limitar dichas corrientes a un valor seguro en casos de cortocircuitos. Para ello se emplearán transformadores de alta tensión con un acoplamiento bajo entre arrollamiento primario y secundario, como es el caso de los transformadores NST. De emplear transformadores de alta tensión de mayor rendimiento (mayor acoplamiento entre arrollamientos), se debe disponer de un limitador externo de corrientes (un "balastro"). 26

En cualquier caso, las bobinas Tesla con el diseño original mediante chispa siguen siendo muy fiables y son más baratas que aquellas que emplean un oscilador de potencia electrónico, por lo que las bobinas tesla a chispa se siguen usando mucho hoy en día, sobre todo entre aficionados.

PRODUCCION DE LAS CARGAS Ya que las bobinas Tesla pueden producir corrientes o descargas de muy alta frecuencia y voltaje, y son útiles para diferentes propósitos, entre los que se incluyen demostraciones prácticas en clases, efectos especiales para teatro y cine, y pruebas de seguridad de diferentes tecnologías. En su funcionamiento más común, se producen largas descargas de alta tensión en todas direcciones alrededor del toroide del extremo superior de la bobina, que resultan muy espectaculares. Mientras se generan las descargas, se produce una transferencia de energía eléctrica entre la bobina secundaria y el toroide superior con el aire circundante, transferencia que se produce en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de estas descargas se deben a los rápidos cambios de la cantidad de carga que se transmite desde el terminal superior al aire circundante. El proceso es similar a cargar o descargar un condensador. Las corrientes que surgen con los cambios de carga en un condensador se denominan "corrientes de desplazamiento". Los impulsos de RF aplicados

al

circuito

secundario

de

la

bobina

producen

corrientes

de

desplazamiento en forma de impulsos de carga eléctrica (debido a la capacidad del toroide superior), que se transfieren rápidamente entre el toroide de alta tensión y las regiones de aire cercanas, llamadas "regiones de carga espacial". Estas regiones de carga espacial, aunque invisibles, juegan un papel fundamental en la aparición y situación de las descargas de las bobinas Tesla. Estos impulsos de RF de elevada tensión ionizan y calientan el aire que rodea al terminal superior toroidal. Inicialmente se forma un pequeño camino de plasma muy caliente que se origina en algún punto del toroide, que se denomina "raíz" o 27

"chispa directora", y que se proyecta hacia el exterior del toroide. El plasma de esta chispa directora" está considerablemente más caliente que una descarga de corona, y es considerablemente más conductor. De hecho, tiene propiedades similares a un arco eléctrico. A su vez, la chispa conductora se bifurca en miles de descargas mucho más finas y más frías, similares a cabellos, llamadas "streamers". Estos "streamers" son como una especie de niebla azulada que se forma al final de las chispas directoras, más luminosas, y son los que transfieren la carga entre el toroide y las regiones espaciales de carga que lo circunda. Las corrientes de desplazamiento de incontables streamers alimentan a la chispa directora, ayudando a mantenerla caliente y eléctricamente conductora. En las bobinas Tesla que oscilan a chispa, los impulsos amortiguados de RF generados por el chispero o explosor del circuito de la bobina son muy breves (del orden de varios microsegundos), pero tienen lugar a razón de unas 50 a 500 veces por segundo, por lo que los canales conductores previamente formados en el aire que circunda al toroide no tienen tiempo de enfriarse totalmente entre impulsos. De esta forma, en impulsos sucesivos de RF, las nuevas descargas se pueden construir sobre los rastros calientes dejados por sus predecesoras. Esto produce un alargamiento sucesivo de las chispas directoras de un pulso al siguiente, aumentando la longitud de las descargas en cada impulso sucesivo. La repetición de los sucesivos impulsos da lugar a que las descargas crezcan hasta que la energía media que está disponible en la bobina Tesla durante cada impulso se equilibre con la energía media perdida por las descargas en el aire (principalmente en forma de calor). En este punto se alcanza un equilibrio dinámico, y las descargas alcanzan su máxima longitud para la potencia generada en la bobina. Esta única combinación de la alta tensión de RF y los impulsos de RF repetitivos parece ser la forma ideal para crear descargas largas y bifurcadas, que son considerablemente más largas que las que se podrían esperar considerando únicamente el valor de la alta tensión generada. Las altas tensiones 28

producen descargas ramificadas en muchos filamentos, que son de color azul morado, mientras que las descargas de alta energía son gruesas y muy poco ramificadas, de color pálido y luminosas, casi blancas, y que son mucho más largas que las descargas de baja energía (debido a que aumentan la ionización del aire). Los factores importantes para obtener descargas de la mayor longitud parecen ser la tensión, la energía, y un grado de baja o moderada humedad del aire. No obstante, más de 100 años después del uso de las primeras bobinas Tesla, sigue habiendo aspectos de las descargas y de los procesos de transferencia de energía en una bobina Tesla que todavía no se comprenden en su totalidad. Pequeña

bobina

Tesla

en

funcionamiento,

que

proporciona chispas de 17 pulgadas de longitud (45 cm). El diámetro del secundario es de tres pulgadas (7,6 cm). Es alimentada por una corriente alterna de 60 Hz y 10.000 voltios de tensión, limitada en corriente.

PELIGROS DE LOS MANEJOS DE LAS BOBINAS DE TESLA. Las corrientes eléctricas de alta tensión de las descargas de una bobina Tesla pueden ser bastante peligrosas para la salud humana. Estamos hablando de tensiones de miles o cientos de miles de voltios, aunque de una frecuencia elevada, y se podría pensar que estas corrientes no son peligrosas debido al denominado "efecto pelicular (o efecto "skin"), por el cual las corrientes de alta frecuencia fluyen por las capas externas de un conductor, lo que en el cuerpo 29

humano significaría que las corrientes de alta frecuencias circularían por la piel humana y no por el interior del cuerpo humano. Si bien esto es cierto en buenos conductores eléctricos como son los metales, el cuerpo humano no es un buen conductor, y además las frecuencias a las que opera una bobina Tesla aún presentan una importante penetrabilidad en los conductores eléctricos, esto es, parte de la corriente de electrones circula por el interior del conductor. En el caso del cuerpo humano, tenderían a circular por sus partes internas mejor conductoras, como el torrente sanguíneo o el sistema nervioso. En cualquier caso, la profundidad de penetración de las corrientes de alta frecuencia en un conductor es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, por lo que el efecto de circulación pelicular de las altas frecuencias sólo tendrá realmente lugar a partir de varios Megahertcios de frecuencia. Pero, además, el sistema nervioso humano no sentiría dolor por el efecto de estas corrientes de alta frecuencia, ya que por encima de los 15-20 kHz el sistema nervioso deja de reaccionar a las corrientes eléctricas. En efecto, el rápido cambio de polaridad de la corriente en cada ciclo no da tiempo a que los iones que provocan y transmiten las sensaciones nerviosas atraviesen las paredes celulares de las células nerviosas, activando el nervio, y se vuelva a revertir el sentido de circulación de estos iones al cambiar la polaridad de la corriente. Por ello un experimentador no informado o inexperto puede tener la falsa sensación de seguridad de que no va a sufrir daños si toca o le alcanza un streamer o una descarga de una pequeña bobina Tesla. De hecho, en este caso no sentirá ningún shock doloroso, ya que su sistema nervioso no reacciona a estas corrientes de alta frecuencia y, de hecho, los experimentadores inexpertos pueden hacer demostraciones de tocar los streamers emitidos por una bobina Tesla para demostrar que son inocuas, a pesar de la espectacularidad de las descargas.

30

Sin embargo, hay pruebas entre experimentadores de bobinas Tesla de haber sufrido daños temporales en los tejidos, los cuales pueden ser observados como dolor de músculos, articulaciones u hormigueo durante horas e incluso días después. Posiblemente estos nocivos efectos sean debidos a los efectos dañinos del flujo de las corrientes de RF por el interior del cuerpo humano, principalmente por el calentamiento por efecto Joule, especialmente si las corrientes son intensas (caso de utilizar bobinas Tesla de potencia y controladas por osciladores electrónicos, que generan una señal de RF continua y no impulsiva). Además, al interceptar el cuerpo humano una chispa o un streamer emitido por la bobina Tesla, debido a la alta tensión de éstas, se pueden producir arcos eléctricos que pueden producir carbonizaciones en la piel, produciendo dolorosas y peligrosas quemaduras que pueden alcanzar el hueso, y que pueden durar meses hasta su curación. Mientras las bobinas de pequeña potencia son capaces de causar daños temporales en tejidos internos, nervios o articulaciones a través de calentamiento Joule, en las bobinas de potencia los altos valores de la tensiones generadas (250.000 voltios o más) y los relativos altos valores de las corrientes de RF generadas, el shock eléctrico que puede ocasionar a un experimentador que sea alcanzado por una descarga aérea de la bobina puede causar espasmos musculares involuntarios y puede inducir fibrilación ventricular en el corazón y otros problemas que pueden matar al experimentador. Debido a estos riesgos, los experimentadores con conocimientos evitan el contacto con los streamers de las bobinas Tesla, a excepción de las de pequeña potencia. Los profesionales, que pueden trabajar con bobinas de gran potencia, suelen usar otros medios de protección como una jaula de Faraday, que intercepta la descarga impidiendo que éstas pasen a su interior, donde está el experimentador, o bien emplean trajes metálicos de cota de malla para evitar que las corrientes penetren en el cuerpo. 31

Otro efecto que hay que tener en cuenta cuando se manejan bobinas Tesla, o cualquier otro sistema que genere descargas de alta tensión, es que se produce la ionización del aire que rodea las chispas de descarga, ionización que entre otras consecuencias provoca que el oxígeno ordinario (oxígeno biatómico) se transforme en oxígeno triatómico u ozono, el cual es un gas de típico olor (un olor de tipo marisco) y de efecto irritante. También se producen óxidos de nitrógeno, que son también irritantes. Por ello, no se recomienda realizar un uso prolongado de las bobinas de Tesla, salvo que el local disponga de un buen sistema de aireación (renovación del aire).

USO DE LAS BOBINAS TESLA Las bobinas Tesla son dispositivos muy populares entre ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. Estos últimos suelen construir bobinas Tesla caseras como hobby, y se los suele conocer como "bobinadores Tesla" o simplemente "bobinadores". Antiguamente las bobinas Tesla fueron empleadas para los transmisores de radiotelegrafía a chispa (que dejaron de usarse en los años 1920's), para electroterapia y para ciertos dispositivos pseudométicos (empleando las altas tensiones generadas para producir rayos ultravioleta e incluso rayos X). Los usos típicos de las bobinas Tesla son como elementos educacionales en las clases de Física en escuelas, institutos y universidades, pero también tienen bastante uso en espectáculos, a causa de la espectacularidad de las chispas y streamers que desprenden desde su electrodo (toroidal) superior. Realizando modificaciones en la forma física del electrodo superior, así como disponiendo adecuadamente elementos conductores próximos a la bobina Tesla como receptores de las descargas, se pueden conseguir espectaculares y artísticas descargas eléctricas. También se emplean bobinas Tesla de pequeña potencia como fuente de alta tensión para la denominada "fotografía Kirlian" (o electrofotografía Kirlian), un curioso tipo de fotografía sobre papel fotográfico que básicamente consiste en 32

colocar en un recinto oscuro (para no velarlo) el papel fotográfico junto con un objeto o incluso un pequeño ser vivo, la mano, etc... Depositado sobre el papel fotográfico, y someterlo durante unos instantes a una alta tensión de alta frecuencia (en este caso proporcionado por la bobina Tesla). Esto conduce a que en el papel fotográfico se registre la imagen oscura del objeto o ser vivo depositado sobre él, mostrando luminiscencias que rodean el objeto a modo de aura, puntos luminosos en los bordes y en el interior del objeto, etc... Estas luminiscencias son explicables por la luminosidad que emite el objeto fotografiado por el efecto corona al estar sometido a un elevado campo eléctrico, aunque en el caso de fotografías Kirlian de seres vivos estas "auras luminosas" no son fijas, sino que presentan variaciones, y algunos investigadores de lo esotérico y lo paranormal afirman que también reflejan de alguna manera aspectos de la supuesta aura psíquica que rodea a los seres vivos. Una aplicación mucho menos conocida de las bobinas Tesla es su uso como reproductor de sonoro de música y señales de audio, sin necesidad de emplear altavoces. Esta capacidad de reproducción sonora funciona bien para sonidos agudos, no funcionando para reproducir sonidos medios ni bajos, por lo que la bobina Tesla se puede emplear a modo de reproductor de audio equivalente a un altavoz de agudos o "tweeter". Todo esto viene de la época anterior a la iluminación eléctrica mediante las bombillas de incandescencia inventadas por Edinson, cuando se usaban las lámparas de arco eléctrico para la iluminación nocturna de las vías públicas. Estas lámparas, consistentes en dos electrodos de carbono muy próximos entre los que saltaba un arco eléctrico, proporcionaban una luz blanca muy intensa, aunque tenía el problema de que el arco consumía con cierta rapidez los electrodos y éstos debían ser sustituidos con bastante periodicidad. Pero además se observó que junto con la luz se producía un molesto zumbido, y para resolver este problema, las autoridades británicas encargaron en 1899 el

33

estudio y resolución de este problema al físico británico William Duddell (18721917). Duddell se dedicó a observar cuidadosamente este efecto en las descargas de arco e hizo numerosas pruebas, y llegó a la conclusión de que el zumbido no era inherente a la propia descarga del arco eléctrico, sino que era debido a la frecuencia de red de la corriente alterna que alimentaba el arco y que, si se producían fluctuaciones en la tensión de la red eléctrica, también variaba la intensidad del zumbido eléctrico. También comprobó que si se realizaba un control riguroso de la frecuencia e intensidad que circulaba por el arco, el sonido que éste generaba variaba en amplitud y frecuencia, y si modulaba la corriente del arco con notas musicales individuales (generadas por un teclado conectado al sistema de alimentación del arco), éste literalmente "cantaba", reproduciendo las notas musicales. Este efecto se denominó "arco cantante". Aunque este efecto sorprendió cuando Duddell presentó su informe en el Instituto de Ingeniería de Londres, y propuso que podría llevarse la música a las calles de Londres, como un hilo musical, a través de la red de iluminación pública, nadie se interesó en ello, y sólo a principios de los años 1960's algunos fabricantes de altavoces emplearon este efecto para construir un nuevo tipo de tweeter para reproducción de los sonidos agudos, que se conoció como "tweeter de plasma". Este efecto sonoro es reproducible con bobinas Tesla que sean controladas con osciladores cuya frecuencia de oscilación pueda ser modulada en amplitud por una señal sonora externa. El efecto sonoro se produce porque las descargas en el arco eléctrico, o las descargas de alta tensión en el toroide o extremo superior del secundario de la bobina Tesla, igual que ocurre con los rayos, produce un rápido calentamiento del aire que atraviesa la descarga, convirtiéndolo en plasma o gas fuertemente ionizado (de ahí el nombre de "tweeter de plasma").

34

Este fenómeno provoca la repentina expansión de la columna de aire que rodea la chispa, creando una onda de choque que es percibida por el oído humano como un sonido. Pero si se modula en amplitud la intensidad de la descarga, la densidad en el plasma que se genera alrededor de las chispas de descarga sufrirá variaciones, lo que originará frentes de ondas de choque de distinta presión sonora, que serán percibidas por el oído como sonidos. Otro sistema musical que emplean bobinas Tesla es la creación de música empleando un reproductor de música electrónica MIDI cuya salida de datos es llevada a un microprocesador, que convierte los datos MIDI en señales impulsivas PWM (Impulsos modulados en anchura), los cuales son llevados al oscilador electrónico de la bobina Tesla (típicamente mediante una conexión de fibra óptica, para mantener un buen aislamiento eléctrico entre la bobina y el equipo MIDI). Los impulsos PWM modulan la señal de RF generada por el oscilador electrónico provocando trenes de impulsos de RF de velocidad y duración variable que, al ser aplicados al arrollamiento secundario, reproducirá la música MIDI gracias a este efecto sonoro de las bobinas Tesla. La ventaja de estos sistemas de reproducción de ondas sonoras es que el sonido generado en las descargas se irradia en todas direcciones, produciendo en el oyente un particular efecto envolvente. Y al no depender el sonido reproducido de la inercia de partes en movimiento (como ocurre en los altavoces ordinarios), este tweeter de plasma tiene una respuesta rapidísima, lo que le proporciona una gran eficiencia en la reproducción de sonidos de tono alto o agudos. Sin embargo, en tonos de frecuencias más bajas, el límite del tweeter de plasma en cuanto a la frecuencia de trabajo más baja como la presión sonora que produce depende mucho del tamaño de las descargas, que en el caso de las pequeñas bobinas Tesla (y de los arcos eléctricos) no puede ser demasiado amplia. Por ello este curioso transductor acústico no puede ser empleado para reproducir sonidos medios, y mucho menos, sonidos bajos. Sin embargo, como reproducir de agudos, puede reproducir frecuencias por encima de los 20 kHz, por lo tanto, ya ultrasónicas. 35

3.2. AREA DE ESTUDIO 

CÁLCULOS DESARROLLADOS EN EL PROYECTO

La bobina tesla como todo circuito eléctrico tiene varios componentes eléctricos pero la diferencia es que aquí se requieren unos de alto voltaje.

Entonces así funciona: La electricidad de una pila de 5v ,1 Marcadores 100bs, 1 Silicón 200bs, 1 Interruptor 350bs, 1 Estaño 200bs, 1 Papel aluminio 150bs, Total Gastado 1009bs

Fórmula: Campo Magnético del Toroide Leyenda: Campo Magnético= permeabilidad x densidad de vueltas x corriente B: inducción magnética en la línea axial del toroide µ: permeabilidad magnética. (permeabilidad del vacío: µ₀ = 4 π x 10 -7 T.m/A) N: número de espiras del toroide I: corriente que circula. Lm: 2π.Rm Ejemplo • DATOS • l=19cm • N= 318 vueltas • i= 9 amp • B=? SOLUCION •𝛽= 𝛽=

𝜇𝑁𝑖 𝜄

𝜇𝑁𝑖 𝜄

=

(4𝑥10−7 )(318)(9) 0.19

= 6.025𝑥10−3 T

• 𝛽 = 6.025𝑥10−3 T • 𝛽 =0.006025 T

𝑛=

𝑁 318 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 = = 1673.68 ∕ 𝑚 𝜄 0.19𝑚

36

𝜃𝑏 = 𝛽⃗ 𝑛𝐴 𝜃𝑏 = 6.025𝑥10−3 𝜋 ∕ 4(0.19 − 0.026) 𝜃𝑏 =7.76x10−4wb(T𝑚2 )

Inductancia mutua. 𝑀=

(𝜇)(𝑁2 𝑁1 )(𝐴) 𝜄

𝑀=

(4𝜋𝑥10−7 𝑇. 𝑚 ∕ 𝐴)(318)(3)(0.053 𝑚2 ) 0.19 𝑚

𝑀 = 3.3𝑥10−04 𝐻

campo 𝛽 = 𝜇𝑛𝐼 = (4𝜋𝑥10−7 𝑇. 𝑚⁄𝐴)(1673.68)(3.3𝑥10−04 𝐻) 𝛽 = 6.90𝑥10−7 

la electricidad de 9v llega al capacitor que acumula la electricidad, ya lleno

la suelta encendiendo el sparkgap (chispero) produciendo un cortocircuito que se envía a la bobina primaria y después a la segundaría donde el voltaje que genere debe ser capaz de generar un campo eléctrico que pueda prender un bombillo sin necesidad de enchufarlo.

37

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES 1.

El proyecto estuvo diseñado para funcionar en base a una bobina de Tesla

que es un circuito generador de descargas que utiliza elementos que aumenta de forma radical la frecuencia del voltaje, las diferencias de potenciales entre el amiente y la bobina producen descargas aéreas en tonos de longitud de onda bajos visibles del espectro electromagnético de la luz.

2.

Que gracias a este experimento podremos comprender el funcionamiento el

fenómeno eléctrico de conversión de energía eléctrica.

3.

Según el contenido leído, la elaboración de la bobina de tesla requiere

paciencia de lo contrario será imposible apreciar el efecto buscado.

38

5.2. RECOMENDACIONES Como recomendaciones se sugiere lo siguiente: Además de tener un programa establecido para realizar el prototipo también se debe tener una ruta, ya que con ella podemos observar que actividades que se puedan aplazar sin ningún problema de retraso o que otras actividades definitivamente o se puedan realizar entre el tiempo ya que esto originaria que el proyecto no se termine en tiempo y forma. Tener siempre presente cuales son los recursos con los que cuenta para realizar cierta actividad es decir, para realizar la bobina es necesario tener en cuenta el personal necesario, el material y equipos para poder ejecutarlo de una manera eficiente. Esto es de suma importancia ya que si no se toman en cuenta estos recursos la programación puede sufrir modificaciones provocando el atraso para la culminación de alguna actividad. Para la elaboración de la bobina de tesla se recomienda tener información suficientemente necesaria al momento de elaborar el embobinado ya que esto generara un campo magnético que será el factor importante para crear el efecto de luz o mejor aún si buscan ayuda de un profesional en embobinados. Otra recomendación es que en todo momento se tenga amplia comunicación entre los integrantes del equipo que conforma este grupo siempre para ir mejorando dicho prototipo.

39

6. BIBLIOGRAFÍA 6.1. GLOSARIO DE TERMINOS  Voltio: volt por símbolo V, es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química.

 Resonancia: Es fácil conseguir que un objeto vibre a sus frecuencias de resonancia, pero difícil de conseguir que vibre en otras frecuencias.

 Resistencia: Es la cualidad física que posee la persona y que le permite soportar un esfuerzo durante un período prolongado de tiempo. Algunos ejemplos son aquellos deportistas que afrontan esfuerzos de larga duración como el ciclista, el corredor de maratón el montañero.

 Bobina: Componente de un circuito eléctrico formado por un hilo conductor aislado y arrollado repetidamente, en forma variable según su uso.

 Electrofotografía: es el antecedente de la actual fotocopia. Fue inventada por Chester Carlson (USA 1906 – 1968), en 1931 cuando descubrió un material fotoconductor que se cargaba de electricidad estática sólo en las zonas iluminadas, lo que le llevó a desarrollar la fotocopiadora en 1959.

 Arco: es cualquier curva continua que une dos puntos. También, se denomina arco a un segmento de circunferencia; un arco de circunferencia queda definido por tres puntos, o dos puntos extremos y el radio, o por la longitud de una cuerda y el radio.

40



Transistor: es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»).



Alambre de cobre: Se denomina alambre a todo tipo de hilo delgado que se

obtiene por estiramiento de los diferentes metales de acuerdo con la propiedad de ductilidad que poseen los mismos. Los principales metales para la producción de alambre son: hierro, cobre, latón, plata, aluminio, entre otros.

 Carga: La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnético.



Amplitud: (del latín amplitūdō) de un movimiento oscilatorio, ondulatorio o señal electromagnética es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra magnitud física que varía periódica o cuasiperiódicamente en el tiempo. Es la distancia entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio.

41

6.2. DOCUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA

1. 2. 3. 4. 5.

Hermes, E (2015). Proyectos de ciencia. https://es.wikipedia.org/wiki/Bobina_de_Tesla https://ecoinventos.com/como-hacer-una-mini-bobina-de-tesla/ https://www.youtube.com/watch?time_continue=6&v=PyMK_UGlGIw http://bobinadeplasma.blogspot.com

42

Materiales a utilizar

43

44

45

46

47