La Bobina Tesla

Una bobina de Tesla, llamada así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891, es un tipo de transformador resonante que produce altas tensiones a elevadas frecuencias (radiofrecuencias). Con esta bobina Tesla consigió trasmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.

Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. 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 varios metros, lo que las hace muy espectaculares, con efectos observables por el ojo humano como chispas, coronas y arcos eléctricos.

Aunque las bobinas de Tesla llegaron a usarse comercialmente en las primeras generaciones de radiotelégrafos, hoy su uso se limita al entretenimiento. Son dispositivos muy comunes en los museos de ciencia, pues generan espectaculares chispas y descargas eléctricas, e incluso se han adaptado para funcionar como instrumentos musicales. Su secreto está en que producen corriente alterna de alto voltaje, alta frecuencia y baja intensidad.

Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción de un explosor o chispero en su funcionamiento. Un explosor o chispero básicamente consiste en dos electrodos enfrentados próximos, típicamente esféricos, entre los cuales se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión eléctrica que sobrepasa un valor determinado, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación entre electrodos. La tensión a la que salta la chispa en el explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar ésta al chispero y hacer saltar las chispas en éste.

La bobina Tesla funciona de la siguiente manera:

– El transformador de alta tensión carga al condensador de alta tensión y se establece una alta tensión entre sus placas.
– El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las terminales del explosor o chispero. Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (RF, radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el arrollamiento primario de la bobina Tesla propiamente dicha.
– La chispa descarga al condensador a través de la bobina o arrollamiento primario (con pocas espiras) y establece una corriente oscilante.
– Enseguida el condensador de alta tensión se carga nuevamente y repite el proceso. 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 o arrollamiento secundario (con más vueltas).
– 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.
– Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina.. Estas se propagan en el medio ionizando las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.

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).

 

 

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.

Radiofrecuecias y Microondas

Las microondas y las radiofrecuencias son radiaciones electomagnéticas que pertenecen a la categoria de no ionizantes. Son emitidas por aparatos eléctricos, electónicos, los utilizados en comunicaciones militares, navegación, emisiones de TV, radio AM-FM, radares, etc.

 

 

Radiofrecuencias

El término Radiofrecuencia (abreviado RF), se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético en el que se pueden generar ondas electromagnéticas aplicando corriente alterna a una antena.

La Radiofrecuencia se localiza en el espectro de la radiación electromagnética entre 10 kHz (longitud de onda de 3 km) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm).
La radiofrecuencia se puede dividir en las siguientes bandas del espectro en función de su frecuencia: Ultra-alta, Muy Alta, Onda Corta, Onda Media, Onda Larga y Muy Baja Frecuencia.

En este sentido, se puede hablar desde frecuencias extremadamente bajas hasta frecuencias extremadamente altas UHF (ultra-high frequency), pasando por otros tipos de frecuencias en el medio.

Usos y aplicaciones:

• Ondas de radio

La radiofonía de amplitud modulada (AM), por ejemplo, transmite en media frecuencia. Las ondas AM (amplitud modulada) son un tipo de onda de modulación no lineal que consiste en hacer variar la amplitud de una señal de alta frecuencia, denominada onda portadora, de tal forma que cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
La radiofonía de frecuencia modulada (FM), en cambio, realiza su transmisión en muy alta frecuencia. Las ondas FM (frecuencia modulada) son una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia, en contraste con las ondas de AM que varían la amplitud y mantienen la frecuencia constante.

Las diferentes frecuencias determinan el alcance de las ondas y la calidad de la transmisión, entre otras cuestiones. Las radios AM, en este sentido, pueden llegar con sus señales a mayores distancias en comparación con las radios FM.

Sistemas de radio AM y FM.

Aunque se emplea la palabra radio, las transmisiones de televisión, radio, radar y telefonía móvil están incluidas en esta clase de emisiones de radiofrecuencia.

Otros usos son audio, vídeo, radionavegación, servicios de emergencia y transmisión de datos por radio digital; tanto en el ámbito civil como militar.

También son usadas por los radioaficionados.

• Radioastronomía

La radioastronomía es el estudio de objetos en el espacio, tales como estrellas y galaxias, que emiten naturalmente ondas de radio.
Muchos de los objetos astronómicos emiten en radiofrecuencia, así que la radioastronomía ha dado muchas sorpresas al permitirnos detectar y representar lo que era invisible para los telescopios ópticos

Las ondas de radio tienen una longitud de onda mayor que la de la luz visible.

En la radioastronomía, para poder recibir buenas señales, se deben utilizar grandes antenas, o grupos de antenas más pequeñas trabajando en paralelo. La mayoría de los radiotelescopios utilizan una antena parabólica para amplificar las ondas, y así obtener una buena lectura de estas. Esto permite a los astrónomos observar el espectro de radio de una región del cielo.

 

• Radar

El radar es un sistema que usa ondas de radiofrecuencia para medir distancias, altitudes y velocidades de objetos tanto estáticos o móviles. Se utiliza para detectar aviones y aeronaves, barcos, coches y vehículos motorizados. También para el estudio de formaciones meteorológicas y del propio terreno.
Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este «eco» se puede extraer gran cantidad de información.

Una de las aplicaciones  más importantes es el radar Doppler, es un dispositivo electrónico que emite una onda de radio con una frecuencia constante. La onda reflejada por el objeto en movimiento llegara con distinta frecuencia que la emitida y esta diferencia permite calcular la velocidad del vehículo aplicando el efecto Doppler.
Entre sus muchas aplicaciónes se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.

• Resonancia Magnética Nuclear. RMN

La resonancia magnética nuclear estudia los núcleos atómicos al alinearlos a un campo magnético constante para posteriormente perturbar este alineamiento con el uso de un campo magnético alterno.
Se coloca al paciente dentro de un electroimán muy potente. Se le envía una onda de radiofrecuencia que entra en resonancia con los protones del hidrógeno, que están presente en todos los tejidos del cuerpo humano. Se interrumpe la onda y los protones vuelven a su estado natural emitiendo una señal que es recibida y utilizada para reconstruir una imagen del interior del paciente.

La resonancia magnética crea imágenes detalladas de los órganos, tejidos blandos, huesos y prácticamente toda la estructura interna del paciente.

 

• Medicina.

Es importante conocer que, en los últimos años, la radiofrecuencia ha ampliado sus “servicios” y ahora, además de seguir empleándose dentro del ámbito de las telecomunicaciones, ha pasado a ocupar un papel fundamental en el campo de la medicina.

La radiofrecuencia se ha usado en tratamientos médicos durante los últimos 75 años, generalmente para cirugía mínimamente invasiva, utilizando ablación por radiofrecuencia o crioablación.

La ablación es la destrucción completa de un órgano o de un tejido.

También estan los tratamientos en los que se usa la radiofrecuencia en contra la apnea durante el sueño o para arritmias cardiacas.
Otro uso es la diatermia, que es una técnica que utiliza el calor producido por la radiofrecuencia para tratamientos quirúrgicos, de tal forma que produce la coagulación de tejidos e impide que el tejido sangre tras la incisión quirúrgica. Además de cauterizar vasos sanguíneos para prevenir el sangrado excesivo, también se puede utilizar el calor producido por la diatermia para destruir tumores, verrugas y tejidos infectados. Esta técnica es particularmente valiosa en neurocirugía y cirugía del ojo. Los equipos de diatermia normalmente operan en la frecuencia de onda corta de radio o energía de microondas.

• Tratamientos de Belleza.

La radiofrecuencia, en niveles de energía que no producen ablación, se usa también como tratamiento cosmético para tensar la piel, reducir la grasa (lipolisis) o promover la cicatrización. Es una técnica usada en los centros de belleza y medicina estética.
El uso de la radiofrecuencia para tensar la piel tiene su base en que se produce energía que calienta el tejido, lo que estimula la producción de colágeno y elastina subcutánea, consiguiendo que se reduzcan las arrugas de la piel. En el rostro, la radiofrecuencia facial es una alternativa a un lifting quirúrgico y otras cirugías cosméticas.

Microondas

Las microondas son onas electromagnèticas que se localizan entre 300 MHz (longitud de onda de 1 m) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm).
El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las de UHF (ultra-high frequency – frecuencia ultra alta). Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas.

Usos y aplicaciones:

• Horno Microondas

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera.

 

• Telecomunicaciones

En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada.

La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas.

• El máser

Un máser es un amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación, un amplificador similar al láser pero que opera en la región de microondas del espectro electromagnético y sirve para recibir señales muy débiles. La palabra deriva del acrónimo en inglés MASER, por Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

El máser y el láser están basados en el fenómeno de emisión estimulada de radiación, estudiado por Albert Einstein en 1916: Cuando una molécula se halla en un estado excitado, de energía E2 mayor que la de su estado fundamental, E1, puede producirse la transición espontánea del nivel excitado al fundamental, emitiendo un fotón cuya frecuencia corresponde al salto energético ΔE = E 2 − E1 entre los dos niveles.
Pero si un fotón de esa misma frecuencia incide sobre una molécula en el estado excitado, se puede inducir o estimular la transición al fundamental, resultando dos fotones de la misma frecuencia, el incidente más el emitido. Cuando el fenómeno ocurre dentro de una cavidad de paredes reflectoras (cavidad resonante), se desencadena una cascada de emisiones estimuladas y se amplifica la radiación inicial, siempre que dentro de la cavidad se mantenga de alguna forma la población de moléculas excitadas. Un orificio en la cavidad resonante deja salir parte de la radiación (microondas en el máser o luz en el láser) en forma de un haz estable, unidireccional y muy monocromático, es decir de una frecuencia bien determinada.

Con un máser que amplifica señales sin agregar mucho ruido, se podrían crear detectores que funcionen en la astronomía y la medicina.

Hasta ahora esta tecnología es usada en misiones espaciales distantes como la de la sonda Voyager. Y es que la microondas atraviesan los materiales que la luz no puede penetrar, como las nubes y la piel.

Otra de las aplicaciones podría ser la de crear escáneres hipersensibles, gracias a la amplificación que logra el máser. Así se podría detectar un tumor cancerígeno con mayor facilidad y precisión.

• Armas

En la industria armamentística, se han desarrollado prototipos de armas que utilicen la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea o permanente de diferentes enemigos en un radio limitado.

El rifle táctico de asalto Phasr (Personnel Halting and Stimulation Response) es un prototipo de arma no letalcreado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, La finalidad de esta arma es generar y enviar un pulso de microondas con diferente grado de intensidad y potencia, hacia uno o múltiples objetivos en un área concreta, el efecto del sistema térmico hace que se caliente la capa externa de la piel utilizando las microondas para repeler a los individuos de forma segura.

• Cámaras radiofrecuencia

Las cámaras de vigilancia inalámbricas se utilizan en instalaciones en las que no puede utilizarse cableado. Su instalación es muy sencilla, solo requieren un transmisor que va acoplado a la cámara y un receptor que se conecta directamente a la televisión, el monitor, un videograbador o un ordenador, de forma que puedan visualizarse las imágenes y montar un CCTV (Circuito Cerrado de Televisión).

• Detector de radiofrecuencia

El Detector de RF Digital funciona con tecnología de escaneo de radio frecuencias para detectar y localizar camaras ocultas, microfonos espias, telefonos celulares y otros dispositivos que operen con radio frecuencia (hasta 6 Ghz). Esta unidad fue diseñada para que pueda ser utilizada por cualquier persona sin conocimientos en contramedidas electronicas logrando resultados sorprendentes.

 

ondas electromagnéticas

Maxwell (1837-1879) sintetizó las leyes básicas de la electricidad y el magnetismo en unas ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell.
I. La ley de Gauss para el campo eléctrico. El flujo eléctrico a través de una superficie cerrada depende solo de la carga eléctrica que contiene esta superficie.
II. La ley de Gauss del magnetismo. El flujo magnético a través de una superficie cerrada siempre es nulo, lo que es consecuencia de la no existencia de polos magnéticos aislados.
III: La ley de Faraday-Lenz. Los flujos magnéticos variables con el tiempo originan fuerza electromotriz inducida que , a su vez, genera un campo eléctrico.
IV. La ley de Ampère-Maxwell. Indica la relación de simetría de los dos campos. Los campos eléctricos variables también origina campos magnéticos.

Las ecuaciones de Maxwell muestran que se genera una onda electromagnética cuando cargas eléctricas son aceleradas. Si las cargas eléctricas se mueven con velocidad constante no se genera una onda, aún cuando existe un campo eléctrico y un campo magnético.

«Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas.»

Una consecuencia fundamental es que los campos eléctricos y magnéticos son capaces de propagarse en forma de onda, cuya velocidad en el vacío fue calculada por Maxwell,

Cuando Maxwell reemplazó los valores de la permitividad y la permeabilidad del vacío, conocidos usando experimentos con bobinas y condensadores, obtuvo que

c = 3 × 10^8 m/s .

La velocidad de la luz en el vacío.
Basado en esto, Maxwell propuso que la luz es una onda electromagnética.

Un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las ondas electromagnéticas (o.e.m.) se propagan en el vacío sin soporte material.

La carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo electromagnético, cuyas componentes E y B son perpendiculares . Sus valores en cada punto y en función del tiempo son:

E = Eo sen( wt -kx)
B = Bo sen( wt -kx)

Entonces, ¿cómo se generan las ondas electromagnéticas(o.e.m.)?

Así pues, parece que si aceleramos una carga ya tenemos lo suficiente para poder generar un campo magnético variable y, como podemos ver a partir de la ley de Faraday, si tenemos un campo magnético que varía en el tiempo, podemos inducir un campo eléctrico. Si la variación es tal que el campo eléctrico inducido también varía en el tiempo, por la ley de Ampère se inducirá un campo magnético, y así sucesivamente.

En resumen, a partir de la carga acelerada podemos tener un campo eléctrico y un campo magnético que se alimentan mutuamente y dan lugar, así, a una onda electromagnética.

A partir de las ecuaciones de Maxwell; Hertz describe teoricamente (calcula y representa gráficamente) el proceso de formación de ondas elecotromagnéticas en torno a un dipolo oscilante, que constituye su emisor.
El dipolo oscilante, también conocido como antena dipolo de Hertz, idealmente está formado por dos cargas eléctricas opuestas que oscilan armónicamente con cierta frecuencia a lo largo de un segmento, estando siempre simétricamente situadas respecto al centro. El orden de magnitud de la frecuencia del dipolo de Hertz era de 100 MHz, que se correspondía con la frecuencia de las oscilaciones eléctricas con las que realizó.

Podemos elegir como modelo de formación de ondas electromagnéticas al dipolo eléctrico oscilante (dos cargas iguales y opuestas cuya separación varía armónicamente con el tiempo). Según la teoría electromagnética clásica una carga que oscila con Movimiento Armónico Simple de frecuencia » f » radia energía de la misma frecuencia. La energía que emite la transporta un campo eléctrico y otro magnético. Veamos como son y como se forman

El ejemplo más simple cuando hablamos de dipolo eléctrico es que hay una carga positiva y una carga negativa del mismo valor separadas una determinada distancia. Así, podéis tener una situación como la de la figura 1, donde tenemos dos alambres, cada uno con una carga diferente, separados una cierta distancia.

Los dos alambres están conectados a un generador de corriente alterna de alta frecuencia. Esto quiere decir, básicamente, que el generador hace circular las cargas “muy deprisa”. Por lo tanto, en un instante hay arriba las positivas y abajo las negativas; y en el instante siguiente la situación es la inversa.

La idea básica es que el generador crea una diferencia de potencial que “saca” los electrones de la porción A y los lleva a la porción B. Acto seguido, el efecto se invierte y “saca” los electrones de la porción B y los trae, otra vez, hacia la porción A, y así sucesivamente.

 

El espectro electromagnético.

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de todas las ondas electromagnéticas. La longitud de una onda (λ) es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso. La frecuencia (f) es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Se cumple que c = λ.f
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, las microondas, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

En el siguiente video podéis ver un resumen de las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético:

 

Transfomador eléctrico

Un transformador  eléctrico es un dispositivo capaz de convertir una diferencia de potencial alterna en otra diferencia de potencial alterna de las mismas caracteristicas que la anterior pero de distinto voltaje o intensidad. Se utilizan para producir variaciones de tensión.

El tranformador está formado por:

– un núcleo, construido con finas láminas de acero dispuestas en forma de marco i pegadas entre si. Las láminas están aisladas entre ellas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.

– Dos arrollamientos eléctricos, que son un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubierto por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la relación de transformación. El nombre de primario y secundario es totalmente simbólico. Por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario.

 

Funcionamiento.

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética . Al aplicar una fuerza electromotriz en el arrollamiento primario, es decir una tensión o voltaje V1, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Al pasar la corriente por este primer arrollamiento, genera un campo magnético alrededor del núcleo de hierro. Dicho campo magnético es variable, pues ha sido creado por una corriente alterna, y dará lugar a la generación de una fuerza electromotriz , es decir tensión o voltaje V2 inducida en el segundo arrollamiento, llamado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

Para calcular la relación de transformación (r), de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, la fuerza electromotriz inducida en cada arrollamiento será:

V1 = – N1 ΔΦ/Δt

V2=  – N2 ΔΦ/Δt

Como la variación de flujo es la misma, al dividir las dos expresiones.

Tipos de transformadores

 – Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del arrollamiento secundario es mayor al del arrollamiento primario.

– Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del arrollamiento primario es mayor al secundario.

Usos

Uno de los principales usos del transformador eléctrico es transformar la corriente alterna de entrada a nuestras viviendas de 220 v a corriente continua comprendida entre los 3 V y los 25 V, que es la que utilizan la mayoría de los circuitos electrónicos, de televisores, ordenadores, radios, cargadores…. Estos aparatos normalmente funcionan con pilas o baterías, pero cuando los conectamos a la red necesitamos transformadores.

En general, los transformadores que usamos en casa son reductores: el voltaje de salida es menor que el de entrada (220 V).

La corriente que sale del arrollamiento secundario es alterna. Para convertir la corriente alterna en continua necesitamoas cuatro diodos configurados para formar un circuito “rectificador de onda completa”.

El rectificador de onda completa, rectifica el semiciclo negativo de tensión y lo convierte en positivo, para conseguirlo uno de los métodos es utilizar un puente de diodos. La eficiencia de éste montaje es muy alta por lo que es muy utilizado.

Se trata de un montaje con cuatro diodos, en el semiciclo positivo los diodos D1 y D3 permiten el paso de la corriente hasta la carga, con la polaridad indicada. En el semiciclo negativo son D2 y D4 los que permiten el paso de la corriente y la entregan a la carga con la misma polaridad que en el caso anterior.

Observa el video

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un conductor, de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Podemos observar que si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

Por otra parte,  Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz: «El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce».

Aplicaciones de la inducción electromagnética

1.- Quizá una de las aplicaciones más inadvertidas sea la de control y vigilancia. 

– Las tarjetas de crédito (con banda magnética) nos permiten pagar en el supermercado, la autopista o la gasolina. La banda magnética que está compuesta por partículas ferromagnéticas incrustadas en una matriz de resina (generalmente epoxi) y que almacenan cierta cantidad de información mediante una codificación determinada que polariza dichas partículas. La banda magnética es grabada o leída mediante contacto físico pasándola a través de una cabeza lectora/escritora gracias al fenómeno de la inducción magnética.

–  En el autobús o el metro los billetes son “inteligentes” y saben cuanto tienen que cobrarnos y cuanto crédito nos queda para seguir viajando.

– Una “llave“ magnética permite abrir la puerta de la habitación del hotel, aparcar en zonas reservadas o entrar en nuestro garaje de casa, subir al telesilla en la estación de eskí, etc…

– Las de vigilancia son las de las etiquetas antihurto en los grandes almacenes, en las bibliotecas, tiendas de discos, etc… Se trata de etiquetas magnetoacústicas que se basan en excitar magnéticamente una vibración elástica resonante en un material magnetostrictivo que se estira y se encoge cuado está inmerso en un campo magnético alterno. Este sistema es particularmente fiable y sensible y permite cumplir la labor de vigilancia al dar la alarma en caso  de hurto.

Las tiras de estas etiquetas están cortadas con un largo y un ancho calculados para que, de la misma forma que una cuerda de guitarra, vibren a una frecuencia exacta, por un fenomeno de resonancia. Por tanto, si aplicamos un campo magnético de 58kHz a una etiqueta, este campo magnético induce un movimiento en las placas resonadoras. Si la placa polarizadora está imantada, es decir está activada, se produce resonancia y vibran a esta frecuencia de 58kHz, escuchándose un eco tras apagar el campo magnético.

Al pasar por caja, una antena integrada en los lectores de códigos de barras emite un breve pulso magnético de 58kHz y escucha. Si oye un eco magnético tras el pulso significa que hay una etiqueta próxima. En cuanto lee el código de barras comienza el proceso de desactivado. Si la targeta está desimantada no hay eco.

A la salida de la tienda hay una antena transmisora y otra receptora. La antena transmisora está continuamente emitiendo pulsos magnéticos de 58kHz a razón de 100 pulsos por segundo. Mientras que la antena receptora está escuchando esos pulsos.

Cuando una etiqueta que ha pasado por caja, desactivada, se coloca entre las dos antenas no ocurre nada. Porque al estar el polarizador desimantado no hay resonancia, el campo no le afecta.

Si pasamos con una etiqueta sin desactivar, esta absorbe energía del campo magnético, resuena en 58kHz y emitirá un eco magnético tras cada pulso. Este eco lo captará la antena receptora que inmediatamente hará sonar la alarma.

2.- Una del las principales aplicaciones es la de gererar energia eléctrica.

-La dinamo es un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, debido a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético. El término «dinamo» es usado especialmente para referirse a generadores de los que se obtiene corriente continua.

Una espira de hilo de cobre se hace girar, entre los polos de un imán permanente. El giro es producido por una fuente externa. La espira va sujeta al armazón y conectada a unos colectores que se comporta como un conmutador. Los colectores estan cortados y tocan las escobillas fijas, al girar  hacen que la corriente tenga una única dirección, generando de esta manera corriente continua. Un de sus primeros usos fue la instalación en bicicletas para generar energía y poder alumbrar.

-El alternador. Si hacemos girar una espira de  cobre, situada entre los dos polos de un imán, inducimos una corriente eléctrica. Al girar la espira varia el flujo magnético que la atraviesa. Cuando la espira pasa junto al polo norte del imán, corta las líneas magnéticas que éste genera, induciéndose una corriente en las espiras. Si sigue girando cuando la espira pasa frente a la zona neutra, la corriente desaparece hasta que la espira se aproxima al polo sur, donde se vuelve a inducir una corriente de sentido contrario. En un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es de sentido contrario.

La corriente recogida, de esta forma, está cambiando constantemente de dirección: cada vez que el rotor gira media vuelta, el alambre positivo se convierte en negativo y viceversa, por este motivo esta corriente recibe el nombre de corriente alterna.

Como vemos se genera una onda de corriente alterna, cambia el sentido de la corriente y además la intensidad es variable (no siempre es la misma). Si somos capaces de unir los extremos de la espira a un receptor tendremos un generador de corriente eléctrica, en este caso de corriente alterna (alternador). En España los alternadores de las centrales eléctricas giran 50 veces por segundo, es decir la frecuencia de la corriente eléctrica es de 50 Hz (hertzios). Se repite la misma onda 50 veces cada segundo.

3.- Las Placas de inducción

Las placas de inducción funcionan y, efectivamente, calientan la comida manteniendo fría la superficie, de manera más eficiente, más controlable y más segura que las vitrocerámicas o las cocinas de gas.

Su funcionamiento se basa en obtener calor a partir de un campo magnético variable en un material conductor.

Una diferencia de potencial de corriente alterna es aplicada a las terminales de un solenoide, la corriente alterna fluye a través de las bobina o solenoide creando un campo magnético variable. Si un cuerpo conductor es insertado cerca de la bobina, la variación en el flujo magnético que pasa a través del cuerpo y, de acuerdo con la ley de Lenz, induce una fuerza electromotriz (fem), que actua sobre las cargas creando corrientes inducidas, que son convertidas en calor debido al efecto Joule y calentado el cuerpo.

La tecnología de inducción funciona cuando el recipiente con el contenido de hierro adecuado se coloca sobre la superficie de cocción. Y solo entonces: si no hay cazuela la placa no funciona. Por eso es una tecnología tan segura. El único calor de la superficie de cristal es el que se transfiere de la cazuela. Nada más. Y no vale cualquier recipiente porque los recipientes tienen que tener elementos ferromagnéticos que se vean afectados por el campo magnético. Para que la placa de inducción funcione es necesario que el menaje tenga los elementos de hierro justos.

4.- Detector de metales.

Toda corriente eléctrica genera un campo magnético, es decir, la «electricidad» (o sea, los electrones en movimiento) cuando fluye por el cable genera un campo magnético. Los metales son buenos conductores de la electricidad y además todos tienen comportamiento magnético aunque no todos por igual.  Existen tres tipos de magnetismo: ferromagnétismo, diamagnétismo i paramagnetismo.

Un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector «nota» que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.

Tubo de rayos catódicos

Hace unos años la mayoría de los monitores (pantallas de equipos) o televisores utilizaban tubos de rayos catódicos ( CRT, del inglés Cathode Ray Tube), aunque en la actualidad se está sustituyendo paulatinamente por tecnologías como plasma, LCD, LED.
Los tubos de rayos catódicos son tubos de vacío de vidrio dentro de los cuales un cañón de electrones emite una corriente de electrones guiada por un campo magnético hacia una pantalla cubierta de pequeños elementos fosforescentes.
Los rayos catódicos son corrientes de electrones que se producen en tubos de vacío, que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite electrones que viajan hacia el ánodo.
Un campo magnético va guiando los electrones de derecha a izquierda y de arriba hacia abajo. Se crea con dos placas electrificadas X e Y (llamadas deflectores) que envían la corriente en dirección horizontal y vertical, respectivamente.

La pantalla está cubierta con una capa fina de elementos fosforescentes, llamados fósforos, que emiten luz por excitación, es decir, cuando los electrones los golpean, creando de esta manera, un punto iluminado llamado píxel. Un monitor CRT contiene millones de pequeños puntos de fósforo rojos, verdes y azules que brillan cuando son alcanzados por un rayo de electrones para crear una imagen visible.

La activación del campo magnético hace que los electrones sigan un patrón de barrido, al ir de izquierda a derecha y luego bajando a la siguiente fila una vez que han llegado al final.
El ojo humano no es capaz de visualizar este barrido debido a la persistencia de la visión. El ojo tiene la propiedad de persistencia de la imagen. (gracias a esto puede verse el cine o la TV). La imagen se mantiene una décima de segundo en la retina, después de desaparecer ésta. De acuerdo con esto, todo fenómeno luminoso que se produzca con una frecuencia mayor de 10 veces por segundo, el ojo los verá como continuos.

La pantalla está cubierta con fósforo, un material orgánico que brilla cuando es golpeado por el rayo de electrones. una manera de filtrar el rayo de electrones para poder obtener la imagen correcta en la pantalla del monitor es una máscara ensombrecida,

La máscara ensombrecida es una fina pantalla de metal llena de agujeros extremadamente pequeños. Tres rayos de electrones pasan por lo agujeros en un único punto en la pantalla del CRT con superficie de fósforo. La máscara de sombras ayuda a controlar los rayos de electrones para que estos golpeen el fósforo correcto justamente a la intensidad correcta, creando los colores deseados y la imagen en la pantalla. Los rayos que no se desean son bloqueados o “ensombrecidos”.

La gran mayoría de monitores  utilizan gotas circulares de fósforo y los agrupan en formación triangular. Estos grupos son conocidos como tríadas y el ordenamiento es un diseño del trío de puntos. La máscara de sombra está localizada directamente enfrente de la capa de fósforo (cada perforación correspondiendo a tríos de puntos de fósforo) y asisten en enmascarar electrones innecesarios, evitando la sobrecarga y distorsión de la imagen final.

– Sistema de visión del color:

RGB. Utilizado en pantallas de televisión. Consiste en mezclar colores de manera aditiva supone combinar una determinada cantidad de luz ROJA , VERDE Y AZUL con el fin de crear nuevos colores. Si mezclamos las tres fuentes luminosas en su máxima intensidad, el ojo percibirá el color resultante como blanco.

CMY. Un sistema diferente se utiliza en impresión, los colores se crean mediante la mezcla de 3 tintas de impresión de colores primarios: CIAN, MAGENTA Y AMARILLO. Este sistema se denomina mezcla substractiva porque la tinta filtra la luz blanca que incide sobre su superficie adsorbiendo todos los colores del espectro, excepto uno, el color que desea que la tinta refleje. El color de la luz reflejada está determinado por las longitudes de onda de la luz blanca. En la practica se utiliza tinta negra para complementar a los otros tres colores CMYK, ja que los tres no pueden combinarse para dar el negro perfecto.

 

 

 

 

 

 

¿Cómo se origina un rayo?

Llamamos rayo a una descarga electrostática que se produce en la atmósfera durante una tormenta, y se produce bien entre dos nubes o entre una nube y la superficie terrestre. Para producirse un rayo necesitamos una diferencia de potencial superior a 30 000 voltios, a partir de este potencial el aire deja de ser aislante y se convierte en conductor eléctrico.

Para formarse un rayo lo primero que necesitamos es la separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube acumulándose una diferencia de potencial eléctrica.

Cuando llueve sobre la superficie terrestre se produce evaporación natural que lleva hacia arriba gotas de agua. Mientras tanto, a una altura de 2,5 a 3 km donde la temperatura es de -15 a – 20 ºC , se producen partículas de hielo que caen por gravedad y que chocan con las gotas de agua que suben por la evaporación. Estas fricciones y colisiones producen separación de cargas eléctricas (disociación), y se genera un campo eléctrico.

Los cristales positivamente cargados tienden a ascender, lo que hace que la capa superior de la nube acumule una carga electrostática positiva. Los cristales negativamente cargados y los granizos caen a las capas del centro y del fondo de la nube, que acumula una carga electrostática negativa.Cuando el potencial eléctrico supera un determinado valor se produce una violenta y rápida descarga eléctrica en la forma de un rayo.

La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por una emisión de luz llamada relámpago, causada por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque. La velocidad de propagación del sonido en el aire es de 340 m/s de modo que el tiempo transcurrido desde que observamos el relámpago hasta que oímos el trueno, nos puede ayudar a calcular la distancia  a  la que se encuentra la tormenta.

 

Jaula de Faraday

La Jaula de Faraday fue descubierta por el científico británico Michael Faraday.

Dicha jaula es una caja, rejilla o malla metálica que forma un recinto capaz de bloquear los campos electromagnéticos.

La jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo,  en el interior de la caja o rejilla metálica se anulan los efectos de los campos eléctricos externos.

Cuando dicha caja o rejilla se coloca en un campo eléctrico exterior, las cargas positivas se quedan en su posición original, fijas en la red, mientras que los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico, y aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva). Esto genera un campo eléctrico de igual  magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético externo, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0, formando una barrera de bloqueo.

• Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que se reflejan en las superficies conductoras (estas actuancomo si fueran espejos). Las de las emisoras de FM tienen longitudes del orden de unos pocos metros, y las de AM, de unos cientos de metros.
• Un aparato de radio en funcionamiento deja de sonar al introducirlo en una jaula de malla metálica.

Para que suceda lo mismo con un teléfono móvil necesitaríamos una malla mucho más tupida o, mejor aún, envolverlo en papel de aluminio.

• Horno microondas

Evitar la salida de las ondas microondas del horno microondas y de esta manera calentar la comida.

Recordar que la frecuencia de calentamiento  de la moléculas de agua se encuentra alrededor de los 2450MHz.

Esta frecuencia puede causar interferencias a las redes Wifi y bluetooth que usan frecuencias parecidas. Para evitar esto se utiliza el efecto Jaula Faraday para que las ondas microondas no salgan al exterior, el horno se recubre de una malla metálica. La longitud de onda en la banda de los 2450 MHz es de 12,5 cm.

Las ondas se encuentran perfectamente atrapadas dentro del microondas, ya que rebotan en sus paredes metálicas y no son capaces de salir a través del plástico transparente de la puerta. Para que una onda pueda atravesar una abertura, esta debe ser mayor que la longitud de onda de la onda. Y la rejilla que hay en la puerta está formada por orificios un centenar de veces más pequeños que la longitud de onda de las microondas.

• Carteras, billeteras y bolsos que impiden leer la información de las tarjetas de crédito.

Esta s sirve para lograr que no se pueda leer con un lector la información que incorporan los chips NFC de las tarjetas de crédito. Aunque lo cierto es que esto no es tan sencillo, la verdad es que en ciertas circunstancias se podrían provocar situaciones de riesgo por el uso de esa tecnología de pago inalámbrica.

• Bolsas Faraday

Son bolsas y cajas con aspecto normal, cuyo interior han modificado delincuentes itinerantes para inhibir los sistemas de alarma

Se trata de mochilas, bolsos y cajas de aspecto normal cuyo interior han modificado mediante la colocación de papel de aluminio y cinta de precinto, consiguiendo de esta manera que los productos que introducen en el interior, pasen por los arcos de seguridad sin que se activen las alarmas.

• Dispositivos electrónicos.

Los teléfonos móviles, dispositivos de audio emplean el principio de jaula de Faraday para evitar interferencias y ruidos entre los altavoces y micrófonos. 

Esta rejilla se utiliza para evitar el ruido molesto de las interferencias entre el teléfono móvil y su altavoz.

•  El coche.

El coche forma una jaula de Faraday para proteger a sus ocupantes en caso de que el vehículo sea alcanzado por un rayo.

Si vais un día en vuestro coche y empieza una tormenta,  quedaos  dentro ya que es una perfecta Jaula de Faraday  y no sufriréis ningún daño.  En la imagen podéis observar que el rayo  cae sobre el coche y se descarga por la rueda delantera.

• El avión

Uno de los ejemplos más impresionantes de la Jaula de Faraday se dan cuando un rayo cae en un avión.

La razón principal por la que un rayo no es capaz de derribar un avión en vuelo es que el fuselaje de aluminio de la nave actúa como una “jaula de Faraday”.

Impresionante. Como vemos, el avión es una simple Jaula de Faraday a gran escala,  el rayo atraviesa  el avión entra por una punta y sale por otra, pero sin afectar al interior, es decir, a los pasajeros y la maquinaria. La buena aplicación de este sencillo efecto salva miles de vidas.

LHC. Acelerador de partículas del CERN

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra – Suiza, es el mayor acelerador de partículas elementales. Tiene una circunferencia de 27 km, esta situado a una profundidad de entre 50 y 150 m,  y es capaz de obtener energías superiores a los 7 TeV. Es el más grande y energético del mundo. Está situado entre la frontera de  Francia y Suiza. Es el acelerador del CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.

Es una de las máquinas más complejas construida nunca: sus 9.300 imanes superconductores, fundamentales para hacer girar los haces de partículas a velocidades cercanas a las de la luz, deben refrigerarse a una temperatura inferior a la del espacio exterior (-270 ºC), cerca del cero absoluto; el interior del anillo es el lugar más vacío del Sistema Solar (10^-13 atmósferas) para evitar que las partículas colisionen con moléculas de gas; y cuando los haces de las partículas colisionan entre sí se generan temperaturas 100.000 veces más calientes que el interior del Sol.

El LHC (Gran colsionador de hadrones), en realidad es un colisionador de protrones  Se ha construido para hacer chocar frontalmente protones entre si, a  velocidades muy próximas a las  de la luz, tratando de imitar lo que ocurrió en el Big Bang.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se les hace chocar entre sí para simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang, como la creación de la materia y la antimateria.

En el Gran Colisionador de Hadrones, con un perímetro de 27 kilómetros, los experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb se están ejecutando, 100 metros debajo de la tierra.

 

Aunque su principal propósito es  examinar la validez y  los límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas. Poder conocer las partículas fundamentales que componen el átomo.

Otro objetivo del colisionador es saber la naturaleza de la llamada materia oscura, un tipo de materia que nadie ha visto ni detectado aún pero que, supuestamente, por el movimiento de las galaxias, se cree que compone el 95 % de toda la materia del universo.

Y por último y más importante: hallar el bosón de Higgs o partícula divina, que sería un paso significativo en la búsqueda de la Teoría de la Gran Unificación, la teoría que pretende unificar tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo.

– Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008,el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfriaba uno de los imanes superconductores.

– el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense.

– El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos.

– Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “partícula de la masa”. La observación de esta partícula confirmaría las predicciones del Modelo Estándar

– Al finalizar el 2012 entró en parada,  se suspendieron todas la operaciones por 20 meses, para un proceso de modernización que le permitirá incrementar su potencia de 8 a 14 Tev. Las colisiones de alta energía protón-protón se reanudarán en 2015″.