INVENTO ASOMBROSO

 Nikola Tesla

La bobina de Tesla es un embobinado que funciona como generador de alto voltaje y alta frecuencia, inventado por el físico Nikola Tesla (1856 – 1943), quien la patentó en 1891. La inducción magnética le hacía pensar a Tesla en la posibilidad de transmitir energía eléctrica sin la intervención de conductores.

La idea del científico e inventor era crear un aparato que sirviera para transpasar electricidad sin necesidad de utilizar cables. Sin embargo, el uso de esta máquina es muy poco eficiente, por lo que acabó abandonándose al poco tiempo para este fin. 

Historia

La bobina fue creada por Tesla poco después de que los experimentos de Hertz salieran a la luz. El mismo Tesla la denominó “aparato para transmitir energía eléctrica”. Tesla deseaba probar que la electricidad podía transmitirse sin hilos.

En su laboratorio de Colorado Springs, Tesla tenía a su disposición una enorme bobina de 16 metros conectada a una antena. El dispositivo era utilizado para realizar experimentos de transmisión de energía.

En una ocasión se produjo un accidente ocasionado por esta bobina en el que se quemaron dinamos de una central ubicada a 10 kilómetros de distancia. A raíz de la falla se producían arcos eléctricos alrededor de los embobinados de las dinamos.

Nada de eso desanimó a Tesla, quien siguió probando con numerosos diseños de bobinas, que hoy se conocen con su nombre.

¿Cómo funciona?

La famosa bobina de Tesla es uno de los muchos diseños que hizo Nikola Tesla con la finalidad de transmitir electricidad sin cables. Las versiones originales eran de gran tamaño y usaban fuentes de alta tensión y alta corriente.

Naturalmente hoy en día hay diseños mucho más pequeños, compactos y caseros que describiremos y explicaremos en la siguiente sección. 

Un diseño basado en la versiones originales de la bobina de Tesla es el que se muestra en la figura anterior. El esquema eléctrico de la figura anterior se puede dividir en tres secciones.

Fuente (F)

La fuente consta de un generador de corriente alterna y un trasformador de alta ganancia. La salida de la fuente suele estar entre 10000 V y 30000 V.

Primer circuito resonante LC 1

Consta de un interruptor S conocido como “Spark Gap” o “Explosor”, que cierra el circuito cuando salta una chispa entre sus extremos. El circuito LC 1 posee también de un condensador C1 y una bobina L1 conectados en serie.

Segundo circuito resonante LC 2

El circuito LC 2 consta de una bobina L2 que tiene una relación de vueltas aproximadamente de 100 a 1 respecto a la bobina L1 y un condensador C2. El condensador C2 se conecta con la bobina L2 a través de tierra.

La bobina L2 suele ser un enrollado de alambre con esmaltado aislante sobre un tubo de material no conductor como cerámica, vidrio o plástico. La bobina L1, aunque no se muestra así en el esquema, va enrollada sobre la bobina L2.

El condensador C2, como todos los condensadores, consta de dos placas metálicas. En las bobinas de Tesla, una de las placas de C2 suele tener la forma de una cúpula esférica o toroidal y va conectada en serie con la bobina L2.

La otra placa de C2 es el entorno cercano, por ejemplo un pedestal metálico terminado en esfera y conectado a tierra para cerrar el circuito con el otro extremo de L2, también conectado a tierra.

Mecanismo de acción

Cuando se pone en funcionamiento una bobina de Tesla, la fuente de alto voltaje carga el condensador C1. Cuando este alcanza un voltaje suficientemente alto, hace saltar una chispa en el suiche S (spark gap o explosor), cerrando el circuito resonante I.

Entonces el condensador C1 se descarga a través de la bobina L1 generando un campo magnético variable. Este campo magnético variable también atraviesa la bobina L2 e induce una fuerza electromotriz sobre la bobina L2.

Debido a que L2 tiene alrededor de 100 vueltas mas que L1, la tensión eléctrica en L2 es 100 veces mas grande que en L1. Y como en L1 el voltaje es del orden de 10 mil voltios, entonces en L2 será 1 millón de voltios.

La energía magnética acumulada en L2 se transfiere como energía eléctrica al condensador C2, que cuando alcanza valores máximos de tensión del orden del millón de voltios ioniza el aire, produce un chispazo y se descarga abruptamente a través de tierra. Las descargas se producen entre 100 y 150 veces por segundo.

El circuito LC1 se llama resonante porque la energía acumulada en el condensador C1 pasa a la bobina L1 y viceversa; es decir, que se produce una oscilación.

Otro tanto pasa en el circuito resonante LC2, en el que la energía magnética de la bobina L2 se transfiere como energía eléctrica al condensador C2 y viceversa. Es decir, que en el circuito se produce una corriente de ida y vuelta alternativamente.

Resonancia e inducción mutua

Cuando la energía que se suministra a los circuitos LC ocurre a la misma frecuencia que la frecuencia natural de oscilación del circuito, entonces la transferencia de energía es óptima, produciendo una amplificación máxima en la corriente del circuito. Este fenómeno común a todos los sistemas oscilantes se conoce como resonancia.

Los circuitos LC1 y LC2 están acoplados magnéticamente, otro fenómeno que se denomina inducción mutua.

Para que la transferencia de energía del circuito LC1 al LC2 y viceversa sea óptima, las frecuencias de oscilación natural de ambos circuitos deben coincidir, y también deberían coincidir con la frecuencia de la fuente de alta tensión.

Esto se consigue ajustando los valores de la capacidad y de la inductancia en ambos circuitos, de modo las frecuencias de oscilación coincidan con la frecuencia de la fuente:

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Cuando esto ocurre, la energía de la fuente se transfiere eficientemente al circuito LC1 y de LC1 a LC2. En cada ciclo de oscilación va aumentando la energía eléctrica y magnética acumulada en cada circuito.

Cuando la tensión eléctrica en C2 es suficientemente alta, entonces se libera energía en forma de rayos por medio de la descarga de C2 a tierra.

Usos de la bobina de Tesla

La idea original de Tesla en sus experimentos con estas bobinas siempre fue encontrar la forma de transmitir la energía eléctrica a gran distancia sin cableado. Sin embargo, la poca eficiencia de este método debido a las pérdidas de energía por dispersión a través del medio ambiente hizo necesario que se buscaran otros medios para transmitir energía eléctrica de potencia. Hoy en día se continúa usando el cableado.

Sin embargo, en los sistemas de transmisión con cableado actuales siguen presentes muchas de las ideas originales de Nikola Tesla. Por ejemplo, los transformadores elevadores de tensión en las subestaciones eléctricas para transmitir mediante cables con menos pérdidas, y los transformadores reductores de voltaje para la distribución en los hogares, fueron ideados por Tesla.

Pese a no tener uso en gran escala, las bobinas de Tesla continúan siendo útiles en la industria eléctrica de alta tensión para poner a prueba sistemas aislantes, torres y otros dispositivos eléctricos que deben funcionar en forma segura. También se usan en distintos espectáculos para generar rayos y chispas, así como en algunos experimentos de física.

En los experimentos de alta tensión con bobinas de Tesla de gran dimensión es importante tomar las medidas de seguridad. Un ejemplo es el uso de jaulas de Faraday para la protección de los observadores y trajes de malla metálica para los artistas que participan en espectáculos con estas bobinas.

¿Cómo hacer una bobina de Tesla casera?

Componentes

En esta versión en miniatura de la bobina de Tesla no se usará fuente de corriente alterna de alta tensión. Por el contrario la fuente de energía será una pila de 9 V, tal como muestra el esquema de la figura 3.

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Figura 3. Esquema para construir una mini bobina de Tesla. Fuente: elaboración propia.

La otra diferencia con la versión original de Tesla es el uso de un transistor. En nuestro caso será el 2222A, que es un transistor NPN de baja señal pero de respuesta rápida o alta frecuencia.

El circuito también tiene un interruptor S, una bobina primaria L1 de 3 vueltas y una bobina secundaria L2 de 275 vueltas como mínimo, pero puede ser también entre 300 y 400 vueltas.

La bobina primaria puede construirse con un cable común con aislante plástico, pero la secundaria requiere de un cable delgado recubierto de barniz aislante, que es el que suele usarse en los embobinados. El enrollado puede hacerse sobre un tubo de cartón o plástico que tenga entre 3 y 4 cm de diámetro.

Uso del transistor

Cabe recordar que en la época de Nikola Tesla no existían los transistores. En este caso el transistor sustituye al “spark gap” o “explosor” de la versión original. El transistor se usará como una compuerta que permite o no el paso de corriente. Para esto el transistor se polariza así: el colector c al borne positivo y el emisor e al borne negativo de la pila.

Cuando la base b tiene polarización positiva, entonces permite el paso de corriente desde el colector hasta el emisor, y en caso contrario lo impide.

En nuestro esquema, la base se conecta al positivo de la batería, pero se intercala una resistencia de 22 kilo ohmios, para limitar el exceso de corriente que pueda quemar al transistor.

El circuito muestra también un diodo LED que puede ser de color rojo. Su función será explicada más adelante.

En el extremo libre de la bobina secundaria L2 se coloca una esferita metálica, la cual puede construirse recubriendo una bolita de poliestireno o una pelotita de pin pong con papel de aluminio.

Esta esferita es la placa de un condensador C, siendo la otra placa el entorno. Esto es lo que se conoce con el nombre de capacidad parásita.

Funcionamiento de la mini bobina de Tesla

Cuando se cierra el interruptor S, la base del transistor queda polarizada positivamente, y también se polariza positivamente el extremo superior de la bobina primaria. De modo que aparece abruptamente una corriente que pasa por la bobina primaria, sigue por el colector, sale por el emisor, y retorna a la pila.

Esta corriente crece de cero a un valor máximo en un tiempo muy corto, razón por la cual induce una fuerza electromotriz en la bobina secundaria. Esta produce una corriente que va de la parte inferior de la bobina L2 hasta la base del transistor. Esta corriente cesa abruptamente la polarización positiva de la base de modo cesa el flujo de corriente por el primario.

En algunas versiones se elimina el diodo LED y el circuito funciona. Sin embargo, el colocarlo mejora la eficiencia en el corte de la polarización de la base del transistor.

¿Qué sucede cuando circula la corriente?

Durante el ciclo de crecimiento rápido de corriente en el circuito primario se indujo una fuerza electromotriz en la bobina secundaria. Debido a que la relación de espiras entre primario y secundario es de 3 a 275, el extremo libre de la bobina L2 tiene una tensión de 825 V respecto a tierra.

Debido a lo anterior, se produce un campo eléctrico intenso en la esfera del capacitor C capaz de ionizar el gas a baja presión de un tubo de neón o de una lampara fluorescente que se acerque al la esfera C y acelerar los electrones libres dentro del tubo como para excitar a los átomos que producen la emisión luminosa.

Como la corriente cesó abruptamente por la bobina L1 y la bobina L2 se descargó a través del aire circundante a C hacia tierra, se reinicia el ciclo.

El punto importante en este tipo de circuito es que todo ocurre en un tiempo muy corto, de modo que se tiene un oscilador de alta frecuencia. En este tipo de circuito es más importante el suicheo u oscilación rápida producida por el transistor que el fenómeno de resonancia descrito en el apartado anterior y referido a la versión original de la bobina de Tesla.

Experimentos propuestos con mini bobinas de Tesla

Una vez construida la mini bobina de Tesla, es posible experimentar con ella. Obviamente, no se producirán los rayos y las chispas de las versiones originales.

Sin embargo con la ayuda de una bombilla fluorescente o un tubo de neón, podemos observar cómo el efecto combinado del intenso campo eléctrico generado en el capacitor al extremo de la bobina y la alta frecuencia de oscilación de ese campo, hacen que la lámpara se ilumine apenas se acerca a la esfera del condensador.

El campo eléctrico intenso ioniza el gas a baja presión dentro del tubo, dejando electrones libres dentro del gas. Así, la alta frecuencia del circuito hace que los electrones libres dentro del tubo fluorescente se aceleren y exciten al polvo fluorescente adherido a la pared interior del tubo, haciendo que emita luz.

También se puede acercar un LED luminoso a la esfera C, observando cómo se enciende aún cuando las patillas del LED no se han conectado.