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.

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.

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Aplicaciones del electromgnetismo

Electroimán

Un hilo conductor enrollado por el que pasa corriente forma una espira, y un conjunto de espiras paralelas por las que la corriente eléctrica circula en la misma dirección se denomina bobina o solenoide.

Un electroimán está formado por una bobina o solenoide. De manera que  se forma un imán, creando un polo Norte en una cara y un polo Sur en la cara opuesta.  Si en el interior de la bobina colocamos un trozo de hierro o cualquier sustancia ferromagnética, obtenemos un campo magnético más intenso. El lado del imán donde salen las lineas de campo es el polo norte, y por el que entran, el polo sur.

A diferencia de un imán permanente, en el electroimán  cuando cortamos la corriente eléctrica desaparece el campo magnético. La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético podemos variarlo controlando la intensidad de la corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo magnético.

El electroimán tiene multitud de aplicaciones, en grúas para cargar chatarra, en separación de metales, en relés de circuitos eléctricos, en el timbre, en telégrafos, en los motores de arranque, …

Motor eléctrico

Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica mediante la acción de campos magnéticos, produce movimiento a partir de una corriente eléctrica que circula por una bobina.

Si colocamos una bobina rectangular por la que circula una corriente eléctrica en el interior de un campo magnético uniforme (imán), la espira experimentará un giro debido a la aparición de un par de fuerzas. Por un lado de la espira aparece una fuerza que desplaza al conductor hacia arriba, mientras que por el otro lado de la espira la fuerza que aparece lo desplaza hacia abajo. Este par de fuerzas que aparece hace girar la espira. Si la espira se conecta a un eje, podremos convertir la energía eléctrica que circula por la espira en energía mecánica.

Los motores eléctricos son maquinas eléctricas rotatorias  que transforman la energía eléctrica en energía mecánica y tiene muchas utilidades: el tren eléctrico, el coche eléctrico, la batidora, el ventilador, …

El timbre

Un timbre eléctrico es un dispositivo consta de un circuito eléctrico compuesto por una pila o generador, un interruptor y un electroimán. El electroimán está unido a una pieza metálica llamada martillo, que golpea una campana pequeña.

Al cerrar el interruptor, la corriente circula por el  electroimán y este crea un campo magnético que atrae la armadura y hace que el martillo, que está  soldado a la armadura, golpee la campana produciendo un sonido.

Para conseguir que el martillo golpee la campana repetidamente mientras el interruptor esté cerrado, y no una sola vez, se sitúa un contacto eléctrico (tornillo) en la armadura que actúa como un interruptor. Así, cuando la armadura es atraída por el electroimán, se interrumpe el contacto, cesa la corriente en el electroimán y la armadura retrocede a su posición original. Allí vuelve a establecerse el contacto eléctrico, con lo que el electroimán vuelve a atraer a la armadura, y así sucesivamente. Golpeando el martillo repetidas veces a la campana.

El telégrafo

Dispositivo de telecomunicación destinado a la transmisión de señales a distancia. Samuel Morse demostró que las señales podían ser transmitidas por cable. Utilizó pulsos de corriente para desviar un electroimán, el cual movía un marcador para producir códigos escritos en una tira de papel -el código Morse- formado p0r puntos y guiones.

Cuando en la estación emisora se cierra el interruptor, comúnmente llamado manipulador, circula una corriente desde la batería eléctrica hasta la línea y el electroimán, lo que hace que sea atraída una pieza metálica terminada en un punzón que presiona una tira de papel, que se desplaza mediante unos rodillos de arrastre, movidos por un mecanismo de relojeria, sobre un cilindro impregnado de tinta, de tal forma que, según la duración de la pulsación del interruptor, se traducirá en la impresión de un punto o una raya en la tira de papel. La combinación de puntos y rayas en el papel se puede traducir en caracteres alfanuméricos mediante el uso de un código convenido, en la práctica el más utilizado durante muchos años ha sido el código de Morse.

Posteriores mejoras de los dispositivos emisores y transmisores han permitido la transmisión de mensajes de forma más rápida, sin necesidad de recurrir a un manipulador y a la traducción manual del código, así como el envío simultáneo de más de una transmisión por la misma línea. Uno de estos dispositivos telegráficos avanzados es el teletipo, cuyo modelo inicial era una máquina de escribir especial que transmitía como señales eléctricas las pulsaciones sobre un teclado, mientras imprimía sobre un rollo de papel o hacía perforaciones en una cinta también hecha de papel.

El tren Maglev

– El tren de levitación magnética también conocido como Maglev, es un sistema de transporte ferroviario en el cual el tren levita es elevado por potentes imanes que proporcionan propulsión y elevación. Hay rieles para orientar el tren pero el tren no está en contacto con los rieles, el tren flota en un campo magnético. Este tipo de tren utiliza los potentes electroimanes para impulsarse a lo largo del carril vía y para elevarse, algunos trenes va 1 cm por encima de la vía.

Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte sobre ruedas. Ademas al ser menor el rozamiento ya que no existe contacto físico entre el raíl y el tren, este sistema ferroviario puede alcanzar velocidades  de hasta 600 km/h.

La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas.

Las ventajas que proporciona el MAGLEV son numerosas y le hacen especialmente cualificado para líneas de corto recorrido pues su única desventaja es el alto coste de construcción y mantenimiento.

El galvanómetro

– Un galvanómetro es un dispositivo formado por varias espiras que llevan acoplada una aguja imantada. La espira está en el interior de un campo magnético creado por un imán. Cuando el circuito está abierto, no pasa corriente por el aparato y la aguja imantada señala el cero de la escala. Cuando hay corriente eléctrica, las cargas recorren las espiras creando otro imán que  gira, y de esta manera la aguja imantada se desplaza sobre una escala. Si la corriente eléctrica es mayor, el desplazamiento de la aguja será mayor.

Si en el circuito lo colocamos es serie, mide la diferencia de potencial, actúa como voltímetro. Si lo colocamos en paralelo, mide la intensidad de corriente eléctrica, actúa como amperímetro.

El transformador eléctrico

– Un transformador 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.

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.

Un transformador eléctrico es un aparato que se utiliza para transformar la corriente alterna 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. 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). Para convertir la corriente alterna en continua necessitamoas cuatro diodos configurados para formar un circuito «rectificador de onda completa».

El transformador puede utilizarse para elevar el voltaje (transformador elevador) o para reducirlo (transformador re

ductor).

El transformador consta de un núcleo formado por un bloque compacto de hierro o de ferrita, en el que se enrollan dos bobinas con diferente número de espiras. Uno de los arrollamientos se conecta a la corriente alterna inicial, es el llamado primario. 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 corrientes inducidas también alternas en el segundo arrollamiento, llamado secundario.

La relación entre las tensiones

V1/V2 = N1/N2

 

 

Generador eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, al contrario de lo que hace el motor eléctrico. El generador eléctrico puede ser una  dinamo o  un alternador. El alternador genera corriente alterna i la dinamo corriente continua.

– El alternador. Si hacemos girar una espira, de alambre de cobre, situada entre los dos polos de un imán, inducimos en la espira 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. 

La corriente alterna producida depende de la velocidad de rotación de la espira. En Europa la frecuencia de la corriente alterna es de 50 Hz.

–La dinamo.  La espira de hilo de cobre  se hacen girar entre los polos de un imán permanente.  La espira va sujeta al armazón y conectada a un colector que se comporta como un conmutador y hace que la corriente tenga una única dirección, generando de esta manera corriente continua. Un de sus primeros usaos fue la instalación en bicicletas para generar energía y poder alumbrar