Bobina de RuhmkorffLa bobina de Ruhmkorff es un generador eléctrico que permite obtener tensiones muy elevadas, del orden de los miles o decenas de miles de voltios a partir de una fuente de corriente continua. Fue inventada hacia 1850 por Heinrich Daniel Ruhmkorff, mecánico de precisión parisino de origen alemán. Al mismo tiempo Charles Grafton Page en los Estados Unidos y Antoine Masson en Francia habían realizado aparatos similares. Ruhmkorff aportó a la bobina de Masson los perfeccionamientos necesarios para responder a las necesidades de la medicina y la física de una fuente de corriente de muy alta tensión.

Funcionamiento

Esquema eléctrico de la bobina de Ruhmkorff.

El principio de la bobina de Ruhmkorff es el de un transformador elevador de tensión constituido de un bobinado primario p y de un bobinado secundario S. El primario está hecho de unas decenas de vueltas de hilo de cobre aislado de un diámetro bastante grueso (del orden de un milímetro) en tanto que el secundario está constituido de varias decenas, incluso centenas de millar de vueltas de hilo muy fino (algunas décimas de milímetro). Los dos bobinados están enrollados alrededor de un núcleo magnético N formado por hilos de hierro dulce reunidos en haces. El hecho de dividir el núcleo permite limitar las pérdidas por Corriente de Foucault. Las espiras del bobinado secundario deben ser cuidadosamente aisladas para evitar la quema del bobinado por sobretensión.

Si el primario p es recorrido por una corriente variable (una corriente continua producida por un acumulador y comandada por el interruptor Int) la variación del campo magnético induce en el secundario S una tensión en la que el valor es proporcional a la relación entre el número de vueltas de S con el número de vueltas de p. Esta relación de transformación es muy grande para la bobina de Ruhmkorff, lo que permite obtener tensiones de varios

kilovoltios. Al corte de la corriente (abertura del circuito primario) es cuando la tensión inducida es más elevada y produce una chispa entre los bornes esféricos de Ec.

La formación de la chispa se traduce en la producción en el circuito de una serie de oscilaciones eléctricas amortiguadas cuyo período fue calculado en 1853 por William Thomson. Esta descarga oscilatoria se acompaña de la emisión de ondas electromagnéticas que fueron estudiadas por Heinrich Rudolf Hertz en 1887.

El oscilador

Esquema eléctrico del ruptor de la bobina.

Para producir chispas permanentemente, fue suficiente para Ruhmkorff controlar el paso de la corriente que circula por el primario con la ayuda de un oscilador, un sistema interruptor puesto a punto por el alemán Christian Ernst Neef. El principio es el mismo que el del timbre electromagnético:

primer tiempo: la corriente suministrada por el acumulador accu pasa por el contacto c y atraviesa la bobina P.

segundo tiempo: un campo magnético se forma en el núcleo, que se comporta entonces como un imán, y atrae el relé m fijo en el extremo de una lámina resorte r, sujeta en el punto o.

tercer tiempo: la lámina se separa del contacto C y la circulación de la corriente en el primario se interrumpe bruscamente. La chispa del pico de corriente de ruptura es absorbida por el condensador cond. El campo magnético en el núcleo desaparece.

cuarto tiempo: el rele m no es ya atraído por el núcleo, la lámina r vuelve a cerrar el contacto con c y la corriente puede circular de nuevo.

El tiempo que separa dos cortes del circuito se llama período de corte. Depende de numerosos parámetros (atracción del núcleo, rigidez del resorte, etc.) y puede ser ajustado con la ayuda del tornillo de reglaje V. Es del orden de milisegundos, lo que corresponde a una frecuencia de corte de 1000 hertzios.

El añadido del condensador en los bornes del contacto C fue propuesto en 1853 por Hippolyte Fizeau. Los principios descritos aquí son los utilizados por la bobina de encendido de los motores de explosión para producir la chispa en las bujías.

Bobina de Rogowski

Bobina de Rogowski.

La bobina de Rogowski, llamada así en honor a su inventor Walter Rogowski, es un dispositivo electrónico, usado como transductor para medir corriente alterna (AC) o pulsos rápidos de corriente.

Consiste en una bobina de cable en forma de hélice, alrededor de una circunferencia, como un toroide, pero con núcleo de aire, y las dos terminales están cercanas entre si. Una vez que se tiene esta, la bobina se cierra alrededor del cable conductor que transporta la corriente que se quiere medir. Dado que el voltaje inducido en la bobina es proporcional a la velocidad con la que varía la corriente que se mide en el cable, o a su derivada temporal, la salida obtenida en la bobina de Rogowski es usualmente conectada a un dispositivo integrador para obtener la señal proporcional a la corriente.

Una ventaja de la bobina de Rogowski frente a otros tipos de transformadores de corriente es que por su diseño puede ser abierta y flexible, lo cual permite medir un cable conductor sin perturbarlo. Dado que la bobina de Rogowski no tiene núcleo de hierro, sino de aire, esta permite tener una baja inductancia y respuesta a corrientes de rápida variación. Además, la ausencia de núcleo de hierro que sature, brinda alta linealidad, aún midiendo grandes corrientes, tales como las que se observan en transmisión de energía eléctrica de alta potencia, soldadura, o aplicaciones con pulsos de alta potencia. Una bobina de Rogowski construida apropiadamente, con el bobinado uniformemente espaciado, también presenta alta inmunidad a interferencia electromagnética.

La descripción definitiva fue dada por Walter Rogowski y W. Steinhaus en "Die Messung der magnetischen Spannung", Archiv für Elektrotechnik, 1912, 1, Pt.4, pp.141-150.

Recientemente se han desarrollado sensores de corriente de bajo costo basados en el principio de la bobina de Rogowski, que utilizan su principio básico, la diferencia está en que el sensor puede ser hecho usando una bobina plana en lugar de la bobina toroidal. Para rechazar la influencia de conductores externos a la zona de medición, estos sensores usan

una geometría de bobina concéntrica en lugar de la toroidal para reducir la respuesta a campos externos. La ventaja principal de un sensor de corriente planar Rogowski, es que la precisión con la que se hace el devanado, la cual es un requerimiento para obtener buenas mediciones, puede ser lograda usando placas de circuito impreso de bajo costo.

PiezoelectricidadLa piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Contenido

[ocultar]

1 Clases de cristales 2 Ecuaciones de la piezoelectricidad 3 Aplicaciones 4 Materiales 5 Aplicaciones 6 Véase también 7 Enlaces externos

[editar] Clases de cristales

Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 que no tienen un centro de simetría, y de estos, unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica

432). Diez de estos son polares, es decir, presentan polarización instantánea debido a que contienen un dipolo eléctrico en su celda unidad, y el material exhibe piroelectricidad, de entre estos algunos son además ferroeléctricos cuando este dipolo puede invertirse la dirección del dipolo mediante la aplicación de un campo eléctrico. Las clases cristalográficas son:

Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.

Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.

[editar] Ecuaciones de la piezoelectricidad

Las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos combinan tensiones, deformaciones y comportamiento eléctrico:

donde D es el desplazamiento eléctrico, es la permitividad y E es el campo eléctrico:

donde S es la deformación y T es la tensión.

Estas ecuaciones pueden combinarse en una ecuación que considera la relación entre carga y deformación:

donde d representa las constantes piezoeléctricas del material, y el superíndice E indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico constante o cero, y el superíndice t señala que se trata de una forma traspuesta de matriz.

Esto se puede reescribir en forma matricial como:

Línea de retardo de 64μs (PAL). Se ha retirado la cápsula para ver su interior.

[editar] Aplicaciones

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero.

Otra de las importantes aplicaciones de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Se ha convertido de una forma fácil una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta con conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoelétricas de guitarra.

Otra aplicación muy importante de la piezoelectricidad, pero en este caso al revés, son los inyectores de combustible de los motores de combustión interna. Al aplicarse una diferencia de potencial a un material piezoeléctrico, se consigue abrir el inyector, permitiendo al combustible a muy alta presión entrar en el cilindro. El uso de inyectores piezoeléctricos permite controlar con una enorme precisión los tiempos de inyección y la cantidad de combustible que se introduce en el motor, lo que redunda en mejoras en el consumo, prestaciones y rendimiento de los motores.

[editar] Materiales