Bobina de Tesla Objetivos
Generar descargas o chispas más largas. Entender los fenómenos electromagnéticos asociados a la bobina.
Introducción La bobina de Tesla es un transformador resonante de núcleo de aire, que en su terminal superior acumula energía electrostática que se convierten en descargas de energía electromagnética. Es un generador electromagnético resonante que genera altas frecuencias y altos voltajes. El presente trabajo busca investigar los fenómenos electromagnéticos (descargas eléctricas), es decir, investigar sobre rayos y efectos corona, de forma que la bobina pueda emitir descargas eléctricas que pueden llegar a medir varios metros y emitir luz por medio de la generación de pulsos de alta tensión
Marco Teórico Inductancia Mutua Fenómeno que se produce cuando una corriente variable en un circuito ocasiona un flujo magnético variable en un segundo circuito, en este último se induce una fem 2 . Del mismo modo, una corriente variable en el 2 en el segundo circuito induce una fem 1 . en el primero. La inductancia mutua depende de la geometría de las dos bobinas y el material entre ellas. Si los circuitos son bobinas de alambre con 1 . y 2 . espiras, M se expresa de la siguiente forma: =
2 2 1
=
1 1 2
La unidad del SI de la inductancia es el Henry (H).
Circuito Resonante o L-C Un circuito que contiene inductancia L y capacitancia C experimenta oscilaciones eléctricas con frecuencia angular ω, que depende de L y C. Se produce por la descarga del capacitor, lo que hace que la corriente vaya en aumento en el inductor, estableciendo un campo magnético en el espacio que lo rodea, y la energía que inicialmente estaba almacenada en el
campo eléctrico del capacitor ahora lo está en el campo magnético del inductor. Luego, ocurre el proceso inverso, el cual puede no parar, si no hay pérdidas de energía. Tal circuito es análogo a un oscilador armónico mecánico, con inductancia L análoga a la masa m, el recíproco de la capacitancia 1/C.
Frecuencia de resonancia En el circuito LC hay una frecuencia para la cual se produce un fenómeno de resonancia eléctrica, para la cual la reactancia inductiva (parte imaginaria de la impedancia de la bobina ) es igual a la reactancia capacitiva (parte imaginaria de la impedancia del condensador). Por lo tanto, la impedancia será mínima e igual a la resistencia óhmica. Para una bobina de Tesla, este es el punto de operación óptimo para transferir energía eléctrica entre las bobinas primaria y secundaria. Impeditancia Es una medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tensión. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto magnitud como fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. El concepto de impedancia tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso las magnitudes se describen con números complejos o funciones del análisis armónico. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia.
Reactancia Inductiva Corresponde a la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y se mide en Ohmios. La reactancia es la energía es almacenada y liberada en forma de campo magnético, en el caso de las bobinas. Esto produce un adelanto o atraso entre la onda de corriente y la onda de tensión. Este desfasaje hace disminuir la potencia entregada a una carga resistiva conectada luego de la reactancia.
Reactancia
Capacitiva
La reactancia capacitiva el voltaje a través de un condensador está retrasado respecto de la corriente, porque ésta debe ir cargando el condensador y el voltaje es proporcional a la carga generada entre las placas del condensador. En la reactancia inductiva es lo contrario a la capacitiva, en este caso la corriente será la que sea adelantada por el voltaje puesto que la reactancia inductiva se opone a los cambios de voltaje.
Funcionamiento La bobina de Tesla es un transformador resonante que consta de un circuito primario sintonizado con una bobina secundaria. Un transformador de alto voltaje provee la corriente eléctrica necesaria para su funcionamiento. Con ayuda de éste, el condensador se carga dentro del circuito primario. Cuando la diferencia de potencial es lo suficientemente Ilustración 1:Circuito de la bobina de tesla. alta, el transformador y el condensador rompen la resistencia eléctrica del aire dentro del explosor, creando un arco eléctrico que permite que el condensador se descargue en la bobina primaria, en forma de una oscilación de alta frecuencia, estableciendo así una corriente oscilante. Esta bobina primaria, se encuentra en sintonía con la bobina secundaria. En la parte superior de la bobina secundaria se en cuentra una esfera o toroide que actúa como un condensador. Cuando pasa corriente a través de la bobina primaria, esta crea un campo electromagnético que permite que se pueda descargar en la bobina secundaria con el fin de aumentar el voltaje, que al descargarse a tierra crea un fuerte campo electromagnético que incrementa el voltaje en el toroide. Lo que normalmente produce que éste se descargue en forma de arco eléctrico hacia el aire de su alrededor debido al alto voltaje del orden de cientos de miles de voltios. Para obtener un óptimo funcionamiento es necesario que la bobina primaria y la secundaria estén en resonancia. Esto se logra ajustando los inductores y condensadores del circuito primario y secundario respectivamente.
Elementos Constitutivos de la bobina Transformador de alta tensión Un transformador puede recibir energía y devolverla a una tensión más elevada, en cuyo caso se le denomina transformador elevador, o puede devolverla en una tensión más baja, en cuyo caso es un transformador reductor. En este caso, permite convertir el potencial eléctrico proporcionado por la red eléctrica domiciliaria en un potencial eléctrico mayor con el fin de poner en funcionamiento el circuito secundario de la bobina Tesla.
Ilustración 2:Transformador
Explosor Chispero (Spark-Gap), son dos electrodos separados por aire, normalmente se usan en media y alta tensión de manera que el aire actúa como una resistencia. Cuando hay suficiente diferencia de potencial entre los electrodos, la electricidad salta. Sirve como una especie de interruptor, el cual evita que las oscilaciones de alta frecuencia retornen al transformador. Ilustración 3:Spark-Gap
Condensador El capacitor de alto voltaje es quizás la parte más sensible de una bobina de Tesla. Dado que está sometido a voltajes enormes ya que sus descargas producen corrientes eléctricas del orden cientos de amperes a frecuencia de cientos de KHz. En principio, el condensador es un depósito para la energía proporcionada po r el transformador. Además, tiene como función, en conjunto con la bobina primaria y el explosor, generar pulsos de alta frecuencia. Mientras, que el capacitor secundario, descarga la energía eléctrica en forma de rayos y arcos eléctricos. Bobinas Los inductores, también conocidos como bobinas, son elementos pasivos y lineales que pueden almacenar y liberar energía eléctrica en base a fenómenos relacionados con los campos magnéticos. La función de los inductores es bloquear las señales de corriente alterna
de alta frecuencia en circuitos. En resumen, un inductor es un arrollamiento de conductor delgado, cuya inductancia es directamente proporcional al número de espiras y diámetro, así como a la permeabilidad del interior del arrollamiento; y es inversamente proporcional a la longitud de la bobina. Bobina
primaria
La bobina primaria es un arrollamiento de conductor de baja inductancia y gran conductividad eléctrica. Por lo general estas bobinas constan de 15 o menos espiras. En la práctica es común utilizar tres tipos de diseños: espiral plana, espiral cónica invertida o solenoide recto. La bobina primaria tiene la función de generar el campo electromagnético mediante el cual se transfiere la energía almacenada en el primario al circuito secundario. Bobina
secundaria
Junto con la bobina primaria, son la parte transformadora del transformador de tesla. Es en este gran solenoide donde se generan los altos voltajes que producen las descargas al aire. La bobina secundaria usualmente se construye en forma de solenoide sobre una forma cilíndrica plástica (comúnmente PVC, por su rigidez y bajo costo). Las bobinas secundarias tienen entre 800 y 1500 espiras de un conductor de cobre de calibres que van desde los 0,3 a 1 mm de diámetro. El devanado depende de la potencia del sistema, ya que mayores potencias implican descargas más largas y más posibilidades de que se forme un arco entre el toroide y la bobina primaria. Por lo general se recomiendan guardar una relación altura-diámetro de 3:1 a 5:1 para un óptimo funcionamiento.
Terminal
superior
El terminal es el punto de emisión de una bobina de tesla, generalmente es un toroide o una esfera de aluminio, pero también puede ser un disco o una simple punta. Este terminal está conectado a la parte superior de la bobina secundaria. Como todo conductor tiene una capacitancia, la importancia del terminal radica en que es un lugar de almacenaje de energía para la alimentación de las descargas al aire.
Se ocupa un toroide metal en un sistema de Bobina Tesla. El toroide ofrece un punto preciso de carga, para la propagación de descargas. La eficacia de un toroide depende del sistema en el que se opera, por lo general, los toroides pequeños con superficies rugosas producen muchos arcos cortos, por otra parte, los toroides grandes y que poseen un acabado muy suave demuestran un mejor desempeño mediante la formación de un solo arco más largo. Además, un toroide de mayor dimensión proporciona almacenamiento de energía en la parte superior de la bobina secundaria, los arcos a tierra son visiblemente más intensos cuando un toroide de gran tamaño se utiliza para proporcionar más descargas eléctricas.
Diseño experimental original
Elemento Bobina Primaria
Composición
1. Cobre esmaltado N° 7 2. 6 vueltas 3. Tubo de PVC de 10,5 cm de diámetro
Bobina Secundaria
1. Cobre esmaltado N° 22 2. 900 vueltas 3. Tubo de PVC de 7,5 cm de diámetro
Condensador Cilíndrico
1. 20 láminas de acetato 2. 10 láminas de aluminio 3. 10 terminales para conexión (cables)
Explosor
1. 2 tornillos de aluminio 2. 2 ángulos tipo L 3. 4 tuercas de aluminio
Toroide Tubería corrugada de aluminio de 3 pulgadas de diámetro
Tabla 1: Elementos constitutivos de la Bobina
A partir de estos elementos, se obtuvieron los siguientes resultados:
Relación de transformación del Transformador Capacidad del Capacitor Cilíndrico
23 [nF] (medido con el multitester RLC)
Inductancia de la Bobina primaria
4,80 [uH] (medido con el multitester RLC)
Inductancia de la Bobina secundaria
6,67 [mH] (medido con el multitester RLC)
Diferencia de Potencial de entrada del transformador Corriente de entrada al transformador Diferencia de Potencial de salida del transformador
60 [V] (medido con el multitester)
Diferencia de Potencial en el toroide
1/10
3,8 [mA] (medido con el multitester) ≈ 600 [V] (en base a la relación de transformación) ≈ 30 [KV] (en base a la ruptura dieléctrica del aire)
Tabla 2:Resultados Experimentales de Voltaje, Capacitancia y Corriente.
Análisis del problema El tamaño de la chispa va a estar relacionado con la diferencia de potencial que existe entre la salida de la bobina y "tierra". Para incrementar esto, se debe aumentar el voltaje que está saliendo en la bobina. La intensidad o incremento del voltaje es siempre proporcional a la descarga desplazada, que es resultante de la capacitancia del circuito, el voltaje y la frecuencia de las corrientes aplicadas. Esto también requerirá una mayor corriente en el primario (por la FEM inducida que depende de la variación de la corriente). El voltaje de salida no depende de la cantidad de alambre del secundario, tal como los transformadores convencionales. Con este transformador “especial” se produce una condición de resonancia tal, que se puede hacer una analogía; empujar a un niño en un columpio de tal manera y en el momento exacto para que el niño oscile cada vez más alto. El circuito eléctrico del inductor primario incluye un capacitor que resuena a una frecuencia fija dependiendo de los valores de capacitancia e inductancia. Para que las cosas funcionen, el primario tiene una gran capacitancia y una pequeña inductancia. P ara que se tenga la misma frecuencia, nuestro secundario tiene una pequeña capacitancia (el toroide) y una gran inductancia (bobina). A partir de esto, una manera de alargar la chispa o descarga eléctrica en el toroide es modificar el diseño de las bobinas, tomando en cuenta los siguientes parámetros. La bobina primaria y secundaria, estas bobinas son las encargadas de generar el voltaje necesario a la salida de la bobina, los cuales dependen directamente del número de espiras, el calibre del conductor, el diámetro del enrollamiento, la capacidad del condensador y la separación del explosor. El primario y secundario deben estar coordinados a la misma frecuencia o aproximada para que las transferencias de energía entre los circuitos resonantes sean eficaces. La longitud del alambre determina la inductancia de la bobina primaria. Esta debe tener una inductancia baja, es por eso que para el diseño se requiere de poco cable para hacerla. Para la bobina inductora secundaria. La bobina secundaria tiene que ser más alta o larga que la primaria, porque tiene que tener una mayor inductancia, así como para prevenir cualquier descarga eléctrica desde el circuito secundario, que puede alcanzar y quemar el circuito primario. Las bobinas secundarias tienen entre 800 y 1500 espiras de un conductor de cobre de calibres que van desde los 0,3 a 1 mm de diámetro.
Propuestas “Disminuir la disipación de energía en la bobina primaria” 1. Establecer una distancia fija entre vueltas, menor a 1cm. Manteniendo constante el grosor y las vueltas. 2. Cambiar el grosor del alambre de cobre por uno más grueso entre 0,114 a 0,162 pulgadas, con el objetivo de mantener la forma cilíndrica sin usar el tubo de PVC. En este caso, también se mantiene constante el número de vueltas. 3. Cambiar la forma de la primera bobina, es decir, pasar de una forma cilíndrica a un cono invertido o espiral plano. Por ejemplo: En el caso de una espiral plana, se debería usar una tubería de cobre 0,114 a 0,162 pulgadas, base acrílica, terminales y soportes de PVC. “Aumentar la separación del spark gap" Eso hace que el voltaje en el condensador que almacena aumente y, por consiguiente, exista un mayor voltaje en el primario, lo que influye al secundario. “Buscar el punto de resonancia óptima para el condensador y la inductancia primaria” 1. Cambiar la inductancia primaria por una de conductor hueco y que tenga una configuración plana, que permita ir modificando el valor de la inductancia para pod er encontrar el punto de resonancia del sistema. 2. Cambiar el condensador, por uno que alcance la resonancia del circuito LC.
Referencias http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/accap.html
http://www.iiis.org/cds2010/cd2010csc/cisci_2010/paperspdf/ca362bt.pdf http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/6308/1/UPS-CT002881.pdf http://teslalugo.blogspot.cl/2012/09/descargador-o-spark-gap.html Sears Semansky, Volumen 2, capítulos [30,31]
