- història
- Com funciona?
- Font (F)
- Primer circuit ressonant LC 1
- Segon circuit ressonant LC 2
- Mecanisme d'acció
- Ressonància i inducció mútua
- Usos de la bobina de Tesla
- Com fer una bobina de Tesla casolana?
- components
- Ús de l'transistor
- Funcionament de la mini bobina de Tesla
- Què passa quan circula el corrent?
- Experiments proposats amb mini bobines de Tesla
- referències
La bobina de Tesla és un embobinado que funciona com a generador d'alt voltatge i alta freqüència. Va ser inventada pel físic Nikola Tesla (1856 - 1943), qui la va patentar en 1891.
La inducció magnètica li feia pensar a Tesla en la possibilitat de transmetre energia elèctrica sense la intervenció de conductors. Per això, la idea d'el científic i inventor era crear un aparell que servís per ultrapassar electricitat sense necessitat d'utilitzar cables. No obstant això, l'ús d'aquesta màquina és molt poc eficient, pel que va acabar abandonant-se a l'poc temps per a aquest fi.
Figura 1. Demostració amb la bobina de Tesla. Font: Pixabay.
Tot i així, encara poden trobar-bobines de Tesla amb algunes aplicacions específiques, com per exemple en les torres d'alta tensió o en experiments de física.
història
La bobina va ser creada per Tesla poc després que els experiments de Hertz sortissin a la llum. El mateix Tesla la va denominar "aparell per transmetre energia elèctrica". Tesla desitjava provar que l'electricitat podia transmetre sense fils.
En el seu laboratori de Colorado Springs, Tesla tenia a la seva disposició una enorme bobina de 16 metres connectada a una antena. El dispositiu era utilitzat per a realitzar experiments de transmissió d'energia.
Experiment amb bobines de Tesla.
En una ocasió es va produir un accident ocasionat per aquesta bobina en què es van cremar dinamos d'una central situada a 10 quilòmetres de distància. Arran de la falla es produïen arcs elèctrics al voltant dels embobinados de les dinamos.
Res d'això va desanimar Tesla, qui va seguir provant amb nombrosos dissenys de bobines, que avui es coneixen amb el seu nom.
Com funciona?
La famosa bobina de Tesla és un dels molts dissenys que va fer Nikola Tesla amb la finalitat de transmetre electricitat sense cables. Les versions originals eren de grans dimensions i usaven fonts d'alta tensió i alta corrent.
Naturalment avui dia hi ha dissenys molt més petits, compactes i casolans que descriurem i explicarem en la següent secció.
Figura 2. Esquema de la bobina de Tesla bàsica. Font: elaboració pròpia.
Un disseny basat en la versions originals de la bobina de Tesla és el que es mostra a la figura anterior. L'esquema elèctric de la figura anterior es pot dividir en tres seccions.
Font (F)
La font consta d'un generador de corrent altern i un transformador d'alta guany. La sortida de la font sol estar entre 10000 V i 30000 V.
Primer circuit ressonant LC 1
Consta d'un interruptor S conegut com "Spark Gap" o "explosor", que tanca el circuit quan salta una espurna entre els seus extrems. El circuit LC 1 posseeix també d'un condensador C1 i una bobina L1 connectats en sèrie.
Segon circuit ressonant LC 2
El circuit LC 2 consta d'una bobina L2 que té una relació de voltes aproximadament de 100 a 1 respecte a la bobina L1 i un condensador C2. El condensador C2 es connecta amb la bobina L2 a través de terra.
La bobina L2 sol ser un enrotllat de filferro amb esmaltat aïllant sobre un tub de material no conductor com ceràmica, vidre o plàstic. La bobina L1, encara que no es mostra així en l'esquema, va enrotllada sobre la bobina L2.
El condensador C2, com tots els condensadors, consta de dues plaques metàl·liques. En les bobines de Tesla, una de les plaques de C2 sol tenir la forma d'una cúpula esfèrica o toroïdal i va connectada en sèrie amb la bobina L2.
L'altra placa de C2 és l'entorn proper, per exemple un pedestal metàl·lic acabat en esfera i connectat a terra per tancar el circuit amb l'altre extrem de L2, també connectat a terra.
Mecanisme d'acció
Quan es posa en funcionament una bobina de Tesla, la font d'alt voltatge carrega el condensador C1. Quan aquest arriba a un voltatge prou alt, fa saltar una espurna al suiche S (spark gap o explosor), tancant el circuit ressonant I.
Llavors el condensador C1 es descarrega a través de la bobina L1 generant un camp magnètic variable. Aquest camp magnètic variable també travessa la bobina L2 i indueix una força electromotriu sobre la bobina L2.
A causa de que L2 té al voltant de 100 voltes mes que L1, la tensió elèctrica en L2 és 100 vegades més gran que en L1. I com a L1 el voltatge és de l'ordre de 10 mil volts, llavors en L2 serà 1 milió de volts.
L'energia magnètica acumulada en L2 es transfereix com a energia elèctrica a l'condensador C2, que quan aconsegueix valors màxims de tensió de l'ordre de l'milió de volts ionitza l'aire, produeix una guspira i es descarrega abruptament a través de terra. Les descàrregues es produeixen entre 100 i 150 vegades per segon.
El circuit LC1 es diu ressonant perquè l'energia acumulada en el condensador C1 passa a la bobina L1 i viceversa; és a dir, que es produeix una oscil·lació.
El mateix passa en el circuit ressonant LC2, en el qual l'energia magnètica de la bobina L2 es transfereix com a energia elèctrica a l'condensador C2 i viceversa. És a dir, que en el circuit es produeix un corrent d'anada i tornada alternativament.
La freqüència d'oscil·lació natural en un circuit LC és
Ressonància i inducció mútua
Quan l'energia que es subministra als circuits LC passa a la mateixa freqüència que la freqüència natural d'oscil·lació de l'circuit, llavors la transferència d'energia és òptima, produint una amplificació màxima en el corrent de l'circuit. Aquest fenomen comú a tots els sistemes oscil·lants es coneix com ressonància.
Els circuits LC1 i LC2 estan acoblats magnèticament, un altre fenomen que s'anomena inducció mútua.
Perquè la transferència d'energia de l'circuit LC1 a l'LC2 i viceversa sigui òptima, les freqüències d'oscil·lació natural de tots dos circuits han de coincidir, i també haurien de coincidir amb la freqüència de la font d'alta tensió.
Això s'aconsegueix ajustant els valors de la capacitat i de la inductància en els dos circuits, de manera les freqüències d'oscil·lació coincideixin amb la freqüència de la font:
Quan això passa, l'energia de la font es transfereix eficientment a l'circuit LC1 i de LC1 a LC2. A cada cicle d'oscil·lació va augmentant l'energia elèctrica i magnètica acumulada en cada circuit.
Quan la tensió elèctrica en C2 és prou alta, llavors s'allibera energia en forma de raigs per mitjà de la descàrrega de C2 a terra.
Usos de la bobina de Tesla
La idea original de Tesla en els seus experiments amb aquestes bobines sempre va ser trobar la manera de transmetre l'energia elèctrica a gran distància sense cablejat.
No obstant això, la poca eficiència d'aquest mètode a causa de les pèrdues d'energia per dispersió a través del medi ambient va fer necessari que es busquessin altres mitjans per transmetre energia elèctrica de potència. Avui dia es continua utilitzant el cablejat.
Llum de plasma, la qual va ajudar a desenvolupar l'experiment de Tesla.
No obstant això, en els sistemes de transmissió amb cablejat actuals segueixen presents moltes de les idees originals de Nikola Tesla. Per exemple, els transformadors elevadors de tensió a les subestacions elèctriques per transmetre mitjançant cables amb menys pèrdues, i els transformadors reductors de voltatge per a la distribució a les llars, van ser ideats per Tesla.
Malgrat no tenir ús en gran escala, les bobines de Tesla continuen sent útils en la indústria elèctrica d'alta tensió per posar a prova sistemes aïllants, torres i altres dispositius elèctrics que han de funcionar amb seguretat. També s'usen en diferents espectacles per generar llamps i espurnes, així com en alguns experiments de física.
En els experiments d'alta tensió amb bobines de Tesla de gran dimensió és important prendre les mesures de seguretat. Un exemple és l'ús de gàbies de Faraday per a la protecció dels observadors i vestits de malla metàl·lica per als artistes que participen en espectacles amb aquestes bobines.
Com fer una bobina de Tesla casolana?
components
En aquesta versió en miniatura de la bobina de Tesla no es farà servir font de corrent altern d'alta tensió. Per contra la font d'energia serà una pila de 9 V, tal com mostra l'esquema de la figura 3.
Figura 3. Esquema per construir una mini bobina de Tesla. Font: elaboració pròpia.
L'altra diferència amb la versió original de Tesla és l'ús d'un transistor. En el nostre cas serà el 2222A, que és un transistor NPN de baixa senyal però de resposta ràpida o alta freqüència.
El circuit també té un interruptor S, una bobina primària L1 de 3 voltes i una bobina secundària L2 de 275 voltes com a mínim, però pot ser també entre 300 i 400 voltes.
La bobina primària pot construir-se amb un cable comú amb aïllant plàstic, però la secundària requereix d'un cable prim recobert de vernís aïllant, que és el que sol usar-se en els embobinados. El enrotllat pot fer-se sobre un tub de cartró o plàstic que tingui entre 3 i 4 cm de diàmetre.
Ús de l'transistor
Cal recordar que en l'època de Nikola Tesla no existien els transistors. En aquest cas el transistor substitueix el "spark gap" o "explosor" de la versió original. El transistor es farà servir com una comporta que permet o no el pas de corrent. Per això el transistor es polaritza així: el col·lector c a el born positiu i l'emissor i a el born negatiu de la pila.
Quan la base b té polarització positiva, llavors permet el pas de corrent des del col·lector fins l'emissor, i en cas contrari ho impedeix.
En el nostre esquema, la base es connecta a l'positiu de la bateria, però s'intercala una resistència de 22 quilo ohms, per limitar l'excés de corrent que pugui cremar a l'transistor.
El circuit mostra també un díode LED que pot ser de color vermell. La seva funció serà explicada més endavant.
A l'extrem lliure de la bobina secundària L2 es col·loca una petita esfera metàl·lica, la qual pot construir-se recobrint una boleta de poliestirè o una piloteta de pin taula amb paper d'alumini.
Aquesta petita esfera és la placa d'un condensador C, sent l'altra placa l'entorn. Això és el que es coneix amb el nom de capacitat paràsita.
Funcionament de la mini bobina de Tesla
Quan es tanca l'interruptor S, la base de l'transistor queda polaritzada positivament, i també es polaritza positivament l'extrem superior de la bobina primària. De manera que apareix abruptament un corrent que passa per la bobina primària, segueix pel col·lector, surt per l'emissor, i retorna a la pila.
Aquest corrent creix de zero a un valor màxim en un temps molt curt, raó per la qual indueix una força electromotriu en la bobina secundària. Aquesta produeix un corrent que va de la part inferior de la bobina L2 fins a la base de l'transistor. Aquest corrent cessa abruptament la polarització positiva de la base de manera cessa el flux de corrent pel primari.
En algunes versions s'elimina el díode LED i el circuit funciona. No obstant això, el col·locar-millora l'eficiència en el tall de la polarització de la base de l'transistor.
Què passa quan circula el corrent?
Durant el cicle de creixement ràpid de corrent en el circuit primari es va induir una força electromotriu en la bobina secundària. A causa de que la relació d'espires entre primari i secundari és de 3 a 275, l'extrem lliure de la bobina L2 té una tensió de 825 V respecte a terra.
A causa de l'anterior, es produeix un camp elèctric intens en l'esfera de l'capacitor C capaç d'ionitzar el gas a baixa pressió d'un tub de neó o d'un llum fluorescent que s'apropi a l'l'esfera C i accelerar els electrons lliures dins de el tub com per excitar els àtoms que produeixen l'emissió lluminosa.
Com el corrent va cessar abruptament per la bobina L1 i la bobina L2 es va descarregar a través d'l'aire circumdant a C cap a terra, es reinicia el cicle.
El punt important en aquest tipus de circuit és que tot passa en un temps molt curt, de manera que es té un oscil·lador d'alta freqüència. En aquest tipus de circuit és més important el suicheo o oscil·lació ràpida produïda pel transistor que el fenomen de ressonància descrit en l'apartat anterior i referit a la versió original de la bobina de Tesla.
Experiments proposats amb mini bobines de Tesla
Un cop construïda la mini bobina de Tesla, és possible experimentar amb ella. Òbviament, no es produiran els llamps i les espurnes de les versions originals.
No obstant això, amb l'ajuda d'una bombeta fluorescent o un tub de neó, podem observar com l'efecte combinat de l'intens camp elèctric generat en el capacitor a l'extrem de la bobina i l'alta freqüència d'oscil·lació d'aquest camp, fan que la llum es il·lumini tot just s'acosta a l'esfera de l'condensador.
El camp elèctric intens ionitza el gas a baixa pressió dins el tub, deixant electrons lliures dins de el gas. Així, l'alta freqüència de l'circuit fa que els electrons lliures dins de el tub fluorescent s'accelerin i excitin a la pols fluorescent adherit a la paret interior de l'tub, fent que emeti llum.
També es pot apropar un LED lluminós a l'esfera C, observant com s'encén tot i que les patilles de el LED no s'han connectat.
referències
- Blake, T. Tesla coil theory. Recobrat de: tb3.com.
- Burnett, R. Operation of the Tesla coil. Recobrat de: richieburnett.co.uk.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptes i Aplicacions. 7dt Edició. MacGraw Hill. 626-628.
- University of Wisconsin-Madison. Tesla coil. Recobrat de: wonders.physics.wisc.edu.
- Wikiwand. Bobina de Tesla. Recobrat de: wikiwand.com.