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 Tesla, la bobina y el ingenio.

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ezefamo
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MensajeTema: Tesla, la bobina y el ingenio.   Jue 12 Nov 2009, 7:25 pm

Hola Amigos, Saludos.

Este tema es uno de mis favoritos por su espectacularidad e ingenio, comenzamos.

Una bobina de Tesla (también simplemente: bobina Tesla) es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. En realidad Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un modo específico de construcción que satisfaga a aquéllos que hablan sobre bobinas de Tesla. Las primeras bobinas y las bobinas posteriores varían en configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas eléctricas de alcances del orden de metros, lo que las hace muy espectaculares.





Historia

Bobinas Tesla disruptivas

En la primavera de 1891, Tesla realizó una serie de demostraciones con varias máquinas ante el American Institute of Electrical Engineers del Columbia College. Continuando las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia de William Crookes, Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción disruptiva de un explosor (spark-gap) en su funcionamiento. Dicho montaje puede ser duplicado por una bobina Ruhmkorff, dos condensadores y una segunda bobina disruptiva, especialmente construida.

La bobina de Ruhmkorff, alimentada a través de una fuente principal de corriente, es conectada a los condensadores en serie por sus dos extremos. Un explosor se coloca en paralelo a la bobina Ruhmkorff antes de los condensadores. Las puntas de descarga eran usualmente bolas metálicas con diámetros inferiores a los 3 cm, aunque Tesla utilizó diferentes elementos para producir las descargas. Los condensadores tenían un diseño especial, siendo pequeños con un gran aislamiento. Estos condensadores consistían en placas móviles en aceite. Cuanto menor eran las placas, mayor era la frecuencia de estas primeras bobinas. Las placas resultaban también útiles para eliminar la elevada autoinductancia de la bobina secundaria, añadiendo capacidad a ésta. También se colocaban placas de mica en el explosor para establecer un chorro de aire a través de él. Esto ayudaba a extinguir el arco eléctrico, haciendo la descarga más abrupta. Una ráfaga de aire se usaba también con este objetivo.

Los condensadores se conectan a un circuito primario doble (cada bobina en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente. Cada primario tiene veinte vueltas de cable cubierto por caucho No. 16 B & S y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3 mm. El secundario tiene 300 vueltas de cable magnético cubierto de seda No. 30 B & S, enrollado en un tubo de caucho y en sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho. Los primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar la segunda bobina entre ambos. Los primarios deben cubrir alrededor de 5 cm del secundario. Debe colocarse una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de las primarias que no están conectados con los condensadores se dirigirán al explosor.

En, System of Electric Lighting (23 de junio de 1891), Tesla describió esta primera bobina disruptiva. Concebida con el propósito de convertir y suplir energía eléctrica en una forma adaptada a la producción de ciertos nuevos fenómenos eléctricos, que requerían corrientes de mayores frecuencia y potencial. También especificaba un mecanismo descargador y almacenador de energía en la primera parte de un transformador de radiofrecuencia. Ésta es la primera aparición de una alimentación de corriente de RF capaz de excitar una antena para emitir potente radiación electromagnética.

Otra de estas primeras bobinas Tesla fue protegida en 1897 por patente, Electrical Transformer. Este transformador desarrollaba (o convertía) corrientes de alto potencial y constaba de bobinas primaria y secundaria (opcionalmente, uno de los terminales de la secundaria podía estar conectada eléctricamente con la primaria; similarmente a las modernas bobinas de encendido). Esta bobina Tesla tenía la secundaria dentro de y rodeada por las convoluciones de la primaria. Esta bobina Tesla constaba de bobinas primaria y secundaria enrolladas en forma de espiral plana. El aparato estaba también conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento.


Bobinas posteriores

Tesla, en la patente System of Transmission of Electrical Energy y Apparatus for Transmission of Electrical Energy,8 describió nuevas y útiles combinaciones empleadas en bobinas transformadoras. Bobinas transmisoras o conductoras preparadas y excitadas para provocar corrientes u oscilaciones que se propagaran por conducción a través del medio natural de un punto a otro punto remoto, y bobinas receptoras de las señales transmitidas. Estas bobinas permitían producir corrientes de muy alto potencial. Más tarde conseguiría Method of Signaling y System of Signaling, para bobinas con una elevada capacitancia transmisiva con un electrodo a Tierra.

Algunas de estas bobinas posteriores fueron considerablemente mayores, y operadas a niveles de potencia también mucho mayores. Cuando Tesla patentó un dispositivo en Apparatus for Transmitting Electrical Energy, llamó al dispositivo un transformador resonante autoregenerativo de alto voltaje con núcleo de aire que genera alto voltaje a alta frecuencia. Sin embargo, esta frase ya no se usa. Los dispositivos posteriores fueron en ocasiones alimentados desde transformadores de alto voltaje, usando bancos de condensadores de cristal de botella inmersos en aceite para reducir las pérdidas por descargas de corona, y usaban explosores rotativos para tratar los niveles de alta potencia. Las bobinas Tesla conseguían una gran ganancia en voltaje acoplando dos circuitos LC resonantes, usando transformadores con núcleo de aire. A diferencia de las transformadores convencionales, cuya ganancia está limitada a la razón entre los números de vueltas en los arrollamientos, la ganancia en voltaje de una bobina Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la razón de las inductancias secundaria y primaria.

Estas bobinas posteriores son los dispositivos que construyen usualmente los aficionados. Son transformadores resonantes con núcleo de aire que genera muy altos voltajes en radio frecuencias. La bobina alcanza una gran ganancia transfiriendo energía de un circuito resonante (circuito primario) a otro (secundario) durante un número de ciclos.

Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar largas chispas, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin hilos, de tal manera que él usaba superficies con gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona y las pérdidas por streamers.

La intensidad de la ganancia en voltaje del circuito es proporcional a la cantidad de carga desplazada, que es determinada por el producto de la capacitancia del circuito, el voltaje (que Tesla llamaba “presión”) y la frecuencia de las corrientes empleadas. Tesla también empleó varias versiones de su bobina en experimentos con fluorescencia, rayos x, potencia sin cables para transmisión de energía eléctrica, electroterapia, y corrientes telúricas en conjunto con electricidad atmosférica.

Las bobinas posteriores constan de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductancia-condensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un spark gap, y una bobina primaria; y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por la bobina secundaria y el toroide. En los planos originales de Tesla, el circuito LC secundario está compuesto de una bobina secundaria cargada que es colocada en serie con una gran bobina helicoidal. La bobina helicoidal estaba entonces conectada al toroide. La mayor parte de las bobinas modernas usan sólo una única bobina secundaria. El toroide constituye una de las terminales de un condensador, siendo la otra terminal la Tierra. El circuito LC primario es “ajustado” de tal forma que resonará a la misma frecuencia del circuito secundario. Las bobinas primaria y secundaria están débilmente acopladas magnéticamente, creando un transformador con núcleo de aire resonante. Sin embargo, a diferencia de un transformador convencional, que puede acoplar el 97%+ de los campos magnéticos entre los arrollamientos, estos están acoplados, compartiendo sólo el 10-20% de sus respectivos campos magnéticos.

La mayoría de los transformadores aislados por aceite necesitan potentes aislantes en sus conexiones para prevenir descargas en el aire. Posteriores versiones de la bobina de Tesla distribuyen su campo eléctrico sobre una larga distancia para prevenir elevado stress eléctrico en el primer lugar, permitiendo así operar libremente en aire.

Los terminales consisten en una estructura metálica con la forma de un toroide, cubierta con una placa metálica circular de curvatura suave (formando una superficie conductora muy grande). Tesla usó en su aparato más grande este tipo de elemento dentro de una cúpula. El terminal superior tiene relativa poca capacitancia, cargado al mayor voltaje que es posible. La superficie exterior del conductor elevado es donde principalmente se acumula la carga eléctrica. Posee un gran radio de curvatura, o está compuesto por elementos separados los cuales, respecto a su propio radio de curvatura, están colocados cercanos entre sí de tal forma que la superficie exterior resultante tiene un gran radio.

Este diseño permite al terminal soportar muy altos voltajes sin generar coronas o chispas. Tesla durante su proceso de aplicación de patentes describió variados terminales resonadores para la parte superior de sus bobinas posteriores La mayoría de las bobinas Tesla modernas usan toroides simples, generalmente fabricados de metal fundido o de aluminio flexible, para controlar el intenso campo eléctrico cerca de la parte superior de la secundaria y lanzar las chispas directamente fuera, lejos de los arrollamientos primario y secundario.

Algunos de los trabajos de Tesla involucran un transformador de alta frecuencia, de núcleo de aire, fuertemente acoplado, cuya salida alimenta una bobina resonante, algunas veces llamada “bobina extra”, o simplemente una “secundaria superior”. El principio es que la energía se acumula en la bobina superior resonante, y el papel del transformador secundario es llevado a cabo por la secundaria “inferior”; Los papeles no están compartidos por un único secundario. Sistemas modernos de tres bobinas generalmente o colocan la secundaria superior a cierta distancia del transformador, o lo hacen de un diámetro considerablemente menor; no se busca acoplamiento magnético con la secundaria superior, porque cada secundaria está diseñada específicamente para su papel.

En detalle, este circuito Tesla consiste en una bobina en relación inductiva cercana con un primario, y una de las terminaciones conectada a una placa a tierra, mientras que la otra está dirigida a través de una bobina de auto-inducción separada (cuya conexión debe ser hecha siempre a, o cerca de, el centro geométrico de la bobina, para asegurar una distribución simétrica de la corriente), y de un cilindro metálico que transporta la corriente al terminal. La bobina primaria puede ser excitada por cualquier fuente de corriente de alta frecuencia deseada. El requerimiento importante es que los lados primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia resonante para permitir transferencias eficientes de energía entre los circuitos resonantes primario y secundario. Originalmente, un alternador de alta frecuencia o un condensador de descarga eran usados para excitar la bobina primaria. Bobinas Tesla modernas pueden usar tubos de vacío para excitar el primario y generar corriente de alta frecuencia.

En el diseño de Tesla, el conductor a la terminal tiene la forma de un cilindro de suave superficie con radio mucho mayor que el de las placas metálicas esféricas, y que se ensancha en la parte más baja en un gancho (que está encajado para evitar pérdidas por corrientes de Foucault y por seguridad). La bobina secundaria está enrollada en un tambor de material aislante, con sus vueltas muy cercanas entre sí. Cuando el efecto de los pequeños radios de curvatura del cable es superado, la bobina secundaria inferior se comporta como un conductor de gran radio de curvatura, correspondiendo al del tambor. El final inferior de la bobina secundaria superior, si se desea, puede ser extendido hasta el terminal, hasta algún lugar por debajo de la vuelta superior de la bobina primaria.

Primeras bobinas

El American Electrician da una descripción magnética o de su misma magnitud, de una de las primeras bobinas Tesla, donde un vaso acumulador de cristal de 15 cm por 20 cm es enrollado con entre 60 y 80 vueltas de alambre del mayor porcentaje cobre No. 18 B & S. Dentro de éste se sitúa una bobina primaria consistente en entre 8 y 10 vueltas de cable AWG No. 6 B & S, y el conjunto se sumerge en un vaso que contiene aceite de linaza o aceite mineralda.


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