1.TEMA: bobina de Tesla

2.Objetivo General:

Construir un modelo a escala de la Bobina de Tesla.

3.Objetivos Específicos:

Entender el proceso de envío de electricidad con un solo cable mediante la Bobina de Tesla.

Comprender mejor el uso de medios naturales para la transmisión de energía eléctrica como lo es aprovechar la conductividad de la tierra.

Comprobar el funcionamiento de la bobina de tesla. Entender o analizar el principio físico del proyecto.

4. JUstificacion

EL presente proyecto se lo ha realizado con el fin de demostrar varias teorías en ese caso la electrostática. Como físicas en formación se ha querido comprender las múltiples formas de envío y recepción de energía, lo que nos permite comprender abiertamente sus procesos y los efectos que ellos implican.

3. Fundamento teórico

Una bobina de Tesla es un tipo de trasformador resonante, llamado así en honor a su inventor Nikola Tesla quien nació el 10 de julio de 1856 en el pueblo de Smiljan Austria hoy Croasia y murió el 7 de enero de 1943 en la ciudad de Nueva York.

Nikola Tesla fue un físico, matemático, ingeniero eléctrico y celebre inventor, que revoluciono la teoría eléctrica desarrollando las bases para la generación de corriente alterna entre otros muchos inventos.

Las bobinas Teslas están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. En realidad Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, por lo que es difícil describir un modo especifico de su construcción. Más sin embargo la bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de elevadas frecuencias con efectos observables y sorprendentes, tales como: efluvios, coronas y arcos eléctricos.

Conceptos Basicos:

Conceptos Básicos

Capacitor o condensador

Un capacitor está compuesto de dos placas metálicas separadas por un dieléctrico. Su función es almacenar cargas eléctricas. El material aislante que separa las placas se llama dieléctrico y generalmente se usa aire, vidrio, mica, etc. Si dos placas cargadas electricamente estan separadas por un material dieléctrico, lo único que va a existir entre dichas placas es la influencia de atracción a través de dicho dieléctrico.

Capacidad eléctricaSe define como la propiedad que tienen los capacitores de almacenar cargas eléctricas. La unidad fundamental de la capacidad es el farad o faradio (F); los submúltiplos de esta unidad son los microfaradios (millonésimos de farad), picofaradios, etc.

Inductor o bobina

Descripción: Si tomamos un conductor, por ejemplo un alambre y lo enrrollamos, formamos una bobina; si hacemos que fluya una corriente por ella se establecerá un poderoso campo magnético equivalente al que tiene una barra de acero imantada, con sus polos norte y sur. Es posible demostrar que el flujo de corriente que pasa por un conductor está acompañado por efectos magnéticos: la aguja de una brujula, por ejemplo, se desvia de su posición normal, norte-sur, en presencia de un conductor por el cual fluye una corriente. La corriente, en otras palabras, establece un campo magnético.

Si ahora hacemos que por dicha bobina circule una corriente alterna (en la que los electrones cambian de dirección) de alta frecuencia (radiofrecuencia), se

establecerá un campo magnético variable. Si en presencia de dicho campo magnético variable colocamos otra bobina (bobina secundaria), en esta se "inducirá" una corriente eléctrica similar a la de la bobina primaria.

Inductancia eléctrica Se define como la propiedad de una bobina que consiste en la formación de un campo magnético y en el almacenamiento de energía electromagnética cuando circula por ella una corriente eléctrica. La unidad fundamental de la inductancia es el Henry (H); los submúltiplos de esta unidad son los milihenry (milésimas de henry), microhenry, etc.

FrecuenciaEs el número de oscilaciones o ciclos que ocurren en un segundo. La unidad fundamental de la fecuencia es el Hertz (Hz) y corresponde a un ciclo por segundo.

RadiofrecuenciaSe le llama radiofrecuencia a las corrientes alternas con frecuencias mayores de los 50,000 Hz.

OsciladorEs un circuito electrónico capaz de generar corrientes alternas de cualquier frecuencia.

Frecuencia naturalTodos los objetos elásticos oscilan cuando son excitados por una fuerza externa (una barra metálica al ser golpeada oscila, emitiendo un sonido característico). La frecuencia a la que un objeto elástico oscila libremente es llamada su frecuencia natural de oscilación. Si a dicha barra oscilante acercamos otra barra identica, la segunda barra comenzará a oscilar a la misma frecuencia, excitada por la primera; esto es que la segunda barra habrá resonado con la primera.

En el caso de las oscilaciones electromagnéticas, se presenta el mismo fenómeno que es justamente el hallazgo realizado por Tesla y aplicado a su bobina. Tesla construyó un circuito oscilador (un capacitor conectado en paralelo con una bobina ) que llamó primario y a él acerco una bobina secundaria cuya frecuencia natural de oscilación fuese la misma que la del circuito primario; de la relación de vueltas entre el primario y el secundario depende el voltaje obtenido.

5. Materiales:

Fuente de voltaje 12 DC

Regulador de voltaje 7805

Circuito integrado 555

Transistor NPN 2N3055

Resistencia 1 = 150 Ohms

Resistencia 2 = 10K Ohms

Capacitor = 1uF

1 Potenciometro

6 Capacitores de 0.01 Microfaradios a 4000 Voltios

1 Transformador de 1:15

2 Tornillos de acero inoxidable

1 tuBo de PVC

alambre de cobre (AWG24)

Disipador de potencia

1 Protoboard

Equipo de conexiones

1 Foco de 60 W

1 Tabla

6. Procedimiento

Para construir una bobina de Tesla es necesario contar con una fuente de poder estable. La intensidad de los arcos eléctricos de la bobina

dependen principalmente de la cantidad de watts que puedan ser proporcionados por la fuente de poder.

En nuestro caso particular, decidimos construir una bobina pequeña de bajo poder con fines educativos, ya que siempre existen muchos riesgos asociados al manejo de altos voltajes.

La fuente de poder puede ser de cualquier tipo. La fuente que empleamos es de una computadora que proporciona 12vDC

Se debe construir un circuito que controle el transistor para que actué como interruptor, ya que se requiere una onda pulsante en la entrada del flyback (transformador de alto voltaje) para poder incrementar el potencial. Para construir el circuito debemos realizarlos cálculos respectivos de las resistencias y capacitores para obtener una señal de salida con un ciclo de 50%, empleando un simple 555.

Tener en cuenta que el circuito integrado 555 no tolera voltajes muy altos, por lo que es aconsejable incluir un regulador de voltaje positivo de 5v en el circuito.

Para hacer ajustes en la frecuencia y maximizar el efecto de resonancia, se puede hacer uso de un potenciómetro en el circuito de control.

El transistor que actúa como interruptor de alta velocidad para insertar la señal al flyback debe ser de tipo ficha, o bien, puede emplear un MOSFET  para  insertarle todo el poder posible al transformador y asi obtener arcos mas grandes. El transistor que emplearemos como interruptor es el 2N3055. De la terminal de salida del circuito construido con el reloj 555 (terminal # 3), la señal generada (onda cuadrada) es inyectada a la base del transistor para activarlo.  Es recomendable emplear un buen disipador de calor en el transistor, puesto que este se calienta considerablemente, y si no se disipa el exceso de calor apropiadamente el componente puede dañarse.

Cuando el circuito oscilador esta listo, es necesario insertar la señal proveniente del transistor a la fase primaria del Flyback. Una vez identificadas las terminales de entrada del Flyback, la terminal de salida es mas que notoria (el cable rojo de calibre grueso). Es en esta parte del circuito, la terminal de salida del  flyback, donde se produce alto voltaje. Se debe extremar precaución al manejar esta terminal ya que cualquier negligencia puede ser fatal.

Una vez identificadas las terminales de alta tensión (salida del flyback y tierra), es necesario construir un explosor, acoplar un capacitor y una

bobina para hacer el efecto de resonancia y construir asi la "bobina de Tesla.

El explosor (o spark gap) no es otra cosa mas que un par de terminales separadas por aire. El aire se ioniza cuando el capacitor alcanza altos voltajes, generando un arco electrico que descarga toda la energia del capacitor a travez de la bobina, y genera a la vez un impulso electromagnetico de corta duracion y de magnitud considerable, que induce un alto voltaje en la bobina secundaria generando asi los deseados arcos electricos.

Para probar que la bobina funcione correctamente, se debe conectar el explosor en serie con la bobina, y estos a su vez deben ir conectados al capacitor en paralelo y a la salida de alto voltaje.

PRECAUCION: no tocar LAS TERMINALES DE SALIDA DEL FLYBACK. Es importante la precaucion cuando se trabaje con dichas terminales ya que el voltaje es alto, y la corriente es considerable, por lo que cualquier negligencia en la manipulación de estos componentes puede ser letal.

El capacitor empleado en la bobina que se muestra en el portal,  tiene una tolerancia de 1.6KV (1600 volts). Si la bobina que planea construir requiere de voltajes mas altos, debe entonces emplearse un capacitor en el que su tolerancia al voltaje exceda al voltaje que se va a manipular, ya que de lo contrario puede ocurrir en una explosion de dicho componente.

Nuevamente, alterando la bobina, se lograra crear arcos mas grandes con un banco de capacitores de .01 microfaradios a 4000 volts. Para ello, conecte dos sets de tres capacitores en serie, en paralelo.   

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En el caso del explosor, se puede emplear un par de tornillos para poder realizar ajustes entre la separacion de estos. Comienze con una separacion de alrededor de 1mm. El explosor, debido a los altos voltajes que emplea, crea una atmosfera de ozono en su entorno por lo que estos tienden a oxidarse rápidamente para aquello se debe utilizar tornillos inoxidables.

Cuando ya se tiene listo el explosor, se debe conectar junto con el capacitor y la bobina. La bobina se puede construir sobre un tubo de PVC. Las dimensiones varian dependiendo de la intensidad de los arcos electricos que se deseen generar. Si se desea que los arcos tengan una

longitud superior, es recomendable construir una bobina con una altura considerable. En el caso de la bobina se utilizara un tubo de PVC como base, (una pulgada de diametro) en el cual el alambre de cobre (AWG24)sera enrollado hasta alcanzar una altura aproximada de 30cm.

Teniendo la terminal a tierra de la bobina como referencia, (el extremo inferior de la bobina, donde se iniciara a enrollar el alambre), comienze a bobinar en el sentido de las manecillas del reloj hasta obtener la altura deseada. Esta constituye la bobina secundaria del circuito en la que los arcos electricos son expulsados al aire. Se puede colocar una estructura toroidal en la parte superior, que actue como corona para emitir arcos en todas direcciones.

Cuando ya se tiene construida la bobina sobre el tubo de PVC (bobina secundaria),  esta se colocara dentro de otra bobina de 4 o 5 vuletas que conecta al circuito de alto voltaje (explosor y capacitor).

Las dimensiones exactas son solamente aproximaciones, ya que la frecuencia de resonancia puede ser ajustada tanto con el potenciometro, la capacitancia del capacitor conectado a la salida de alto voltaje del flyback, y la separacion entre las terminales del explosor.

Ya que se tenga el proyecto ensamblado, es necesario ajustar el potenciometro y la distancia entre las terminales del explosor para poder obtener arcos en el secundario de la bobina. Si por alguna razon no se consigue generar arcos de magnitud suficiente o no se generan arcos en si, es recomendable cambiar el capacitor por uno de mayor capacitancia, y reajustar la frecuencia. La frecuencia de resonancia de la bobina esta en el rango de 1 a 1.5 KHz. 

Si se cuenta con un generador de frecuencias, puede ajustar la frecuencia hasta maximizar el efecto de resonancia, y construir el circuito en base a la frecuencia obtenida.

Figura.1

En la Figura 1 que se muestra en los anexos, el pulso de salida del 555 (terminal 3) es definido por las resistencias R1 y R2. La onda generada es del tipo cuadrado, donde t1 y t2 son ajustados de acuerdo a las ecuaciones que se muestran en la figura 2

Figura 2

El Circuito del reloj esta mostardo en la figura 3 de los anexos:

 C = 1uF

 R1 = 150 Ohms

R2 = 10K Ohms

 

 

Figura 3

 

 HV cap =  .01uF a 1.5KV (El valor de la capacitancia del condensador, si es mayor es mucho mejor, por que asi se puede guardar mas carga en el y crear arcos eléctricos mas grandes. Tenga en cuenta que el voltaje de tolerancia del condensador debe ser lo mas grande que se pueda > 1000 volts)

 

 Banco de capacitores mostrado en la figura 4:

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Figura 4

 

 

La distancia entre los contactos del explosor es de medio milimetro aproximadamente.      

 Explosor mostrado en las figuras 5 y 6

 

 

Figura 6 

 

Es indispensable que la distancia del explosor sea minima (entre mas cerca, mejor). Esto se debe a que el voltaje que se necesita para ionizar el aire que existe entre los contactos del explosor y crear el arco electrico que genera el impulso electromagnetico, incrementa con la distancia. Desafortunadamente, cualquier cambio en la capacitancia o la distancia de los contactos del explosor van a cambiar la frecuencia de resonancia. Por ello es muy dificil predecir la frecuencia exacta a la que la bobina resuena.

El transistor 2n3055 se debe conectar apropiadamente. La terminal del colector se conecta a la carcaza del transistor. Se conectara con un cable a uno de los tornillos que sujetan el transistor en el disipador de calor.

                                                                                                                  

               Figura 7

Disposición de terminales de transistor

         

Figura 8

Conexión de un transistor con disipador de potencia

 

 El transformador elevador o "Fly Back" se debe conectar apropiadamente como se muestra en la figura 9

 Figura 9

 

 El numero de vueltas empleado en la bobina primaria (cable rojo) sera de 5 vueltas. Notese que el cable está puesto sobre el tubo de pvc para centrarlo con la bobina como se muestra en la figura 10

 

 

Figura 10

 

El circuito ensamblado se muestra en la figura 11:

 

 

 

Figura 11

 

 

 

Figura 12

Funcionamiento de la bobina de tesla con un Foco convencional de 60W

10. Bibliografía

http://issuu.com/saudy.salazar/docs/bobinatesla

http://es.wikipedia.org/wiki/Bobina_de_Tesla

ANEXOS