Bobina de Tesla Física II - Electromagnética

Bobina de Tesla

        Angie Almeida, Johan Benavides & Valentina Villalba.

Mayo 2019.

Universitaria Agustiniana

Ingeniería Mecatrónica

Física II - Electromagnética

Introducción

El electromagnetismo es la rama de la física que estudia los fenómenos que mezclan la naturaleza eléctrica y magnética. Primeramente, se pensaba que los fenómenos eléctricos no tenían ninguna relación con los magnéticos, sin embargo, gracias a los trabajos de Faraday al formalismo dado por James Maxwell permitió la unión de estas dos ramas, explicando la naturaleza electromagnética de la luz, pero también dio el sustento teórico para el desarrollo de aparatos eléctricos, la iluminación de ciudades, del dínamo, transformador, alternador entre muchos otros.

        En este documento se verá la historia y desarrollo, presentación del proyecto basado y enfocado en la bobina de Tesla, el cual será creado a medida escala para presentar su funcionamiento  en clase.

Objetivos

Objetivo general: 

Conocer la historia y evolución de la bobina de Tesla.

Mirar la realización en físico de una bobina de Tesla hecha en casa.

Confirmar la teoría de Tesla con el proyecto hecho en físico.

Objetivos específicos:

Observar los cambios y mejoras que tuvo la bobina al pasar el tiempo.

Descubrir que usos se le ha dado a la bobina de Tesla a lo largo de la historia.

Analizar el contexto y la teoría que hizo que Tesla se propusiera a investigar y crear la bobina.

Analizar de forma presencial la bobina y sus posibles problemas.

Estado del arte

 
Bobina de Tesla

Una bobina de Tesla, o simplemente bobina Tesla, es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891. Son transformadores de alta frecuencia que son autorresonantes y de estas existen una gran variedad debido a que Tesla experimentó diferentes configuraciones en diversas bobinas. La bobina de Tesla de un gran tamaño puede llegar a generar chispas eléctricas con algunos metros de longitud.

Las primeras bobinas que construyó Tesla se basaron en las investigcion sobre voltaje y frecuencia del físico inglés William Crookes. Por ello Diseñó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas, utilizaban la acción disruptiva de un chispero  en su funcionamiento.

Actualmente las bobinas Tesla que funcionan con chispero se alimentan con un transformador de red eléctrica de alta tensión, el cual proporciona la alta tensión necesaria para el chispero. Pero antes, la única fuente de alta tensión disponible era la bobina de Ruhmkorff la cual permite obtener tensiones muy elevadas a partir de una corriente continua.

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Imagen cortesía de www.ea1uro.com (web de la Unión de Radioaficionados de Ourense)

Este es la diseño de la primera bobina disruptiva realizada por Tesla, publicada en System of Electric Lighting. Luego desarrolló la bobina que patentó como Electrical Transformer, una especie de transformador eléctrico con dos arrollamientos que convertía corrientes eléctricas a corrientes de alto potencial.

Tesla desarrolló bobinas de gran tamaño para manejar potencias elevadas, para poder así transmitir electricidad a largas distancias y para comunicaciones sin hilos, empleando estas bobinas como unidades transmisoras y como unidades receptoras, siendo uno de los antecedentes de las primeras transmisiones inalámbricas. Gracias a esto Nikola Tesla es considerado uno de los pioneros de la radio.

Tesla patentó varios de sus desarrollos empleando este tipo de bobinas, tales como las patentes System of Transmission of Electrical Energy, Apparatus for Transmission of Electrical Energy, entre otras.  Más tarde patentaría también el Method of Signaling  y el System of Signaling para bobinas con una gran capacidad transmisiva con un electrodo a Tierra, así como el Apparatus for Transmitting Electrical Energy, el cual Fernando Fernandez describe como un un transformador resonante auto-regenerativo de alto voltaje con núcleo de aire que genera un alto voltaje a alta frecuencia. Este último diseño es muy parecido a los diseños de las actuales bobinas Tesla que funcionan a chispa.

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Imagen cortesía de www.ea1uro.com (web de la Unión de Radioaficionados de Ourense).

Las típicas bobinas de Tesla están constituidas por dos arrollamientos resonantes acoplados, pero Tesla también experimentó configuraciones con tres arrollamientos resonantes acoplados.

Las bobinas Tesla actualmente corresponden a tres arrollamientos resonantes. Fernando Fernadez las define como bobinas-transformadores autorresonantes con núcleo de aire que generan muy altas tensiones a elevadas frecuencias. La bobina alcanza una gran ganancia de tensión transfiriendo energía durante un número de ciclos desde el arrollamiento primario al secundario, estando constituidos ambos arrollamientos como circuitos resonantes. Ambos arrollamientos están sintonizados a la misma frecuencia. Esta definición se usó ya que se usan tecnicismos que no son posibles de resumir.

Las bobinas de Tesla modernas constan generalmente de un circuito primario, un chispero, el arrollamiento primario y un circuito secundario. Como Fernandez lo explica, al aplicar una alta tensión alterna o pulsante al circuito primario, las chispas generadas en el 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. Fernandez explica de forma muy clara este proceso y al igual que en definiciones anteriores, están llenas de tecnicismos que, si se resumieran, la idea no sería del todo clara.

Actualmente en las más modernas bobinas de 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 y los osciladores-amplificadores de RF más adecuados para ello son los realizados con lámparas electrónicas, transistores bipolares o transistores MOSFET de potencia o IGBT.

Funcionamiento

Debido a que el funcionamiento de la bobina es algo complejo para personas que no conocen de su funcionamiento, se optó por buscar y tomar textualmente la explicación que el blog web de la Pareh de Verruh, en donde se explica que la bibina funciona de la siguiente forma:

1. El transformador T1 carga al capacitor C1 y se establece una alta tensión entre sus placas.
2. El voltaje es tan elevado que es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las terminales del explosor EX.
3. La chispa descargada al capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras) establece una corriente oscilante. Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente y repite el proceso.
4. Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario. La energía que produce el circuito primario se induce en la bobina secundaria L2 (con más vueltas).
5. El circuito secundario se forma con la inductancia de la bobina L2 y la pequeña capacidad distribuida en ella misma, diseñado de modo que el circuito secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Lo interesante de esta bobina es que la condición de resonancia es como empujar a un niño en un columpio, si le das un empujón en el momento exacto, el niño irá cada vez más alto.
6. Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados. Estas se propagan en el medio ionizando las moléculas del aire, convirtiéndolo en transmisor de corriente eléctrica. (Flores et al., 2015)

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Imagen cortesía de http://laparehdeverruh.blogspot.com. (Flores et al., 2015)

Procedimiento para crear una bobina de Tesla casera

Para hacer la bobina de Tesla de forma casera, se tuvo que recurrir a material de internet del cuál se tomó como guía para tener idea de los materiales que fueron usados en el proyecto y, por ende, también el proceso que se uso para la realización del mismo. El procedimiento que verán a continuación es atribuido a Barillas y Catalán en su sitio web enfocada a la Bobina de Tesla:

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