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Santiago Iván Alfaro Herrera Mayo 12, 2019
UnADM
Energías Inalámbricas
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Marco Teoríco
Introducción:
Empecemos con las preguntas mas importantes ¿Qué son las energías
Inalámbricas?
Es un método de transferencia de energía y consiste en la transmisión de potencia
eléctrica desde una fuente de alimentación hasta una carga de consumo sin la
necesidad de un medio material o conductor eléctrico. Es un término genérico
utilizado para referirse a un distinto número de tecnologías de transmisión de
energía que usan una variable de tiempo de campo electromagnético.
¿Qué beneficios tiene la energía inalámbrica?
La transmisión inalámbrica es útil para los dispositivos de potencial eléctrico en
casos en donde la utilización de cables es inconveniente, peligrosa, o no es posible.
En la transmisión inalámbrica de energía, un dispositivo emisor conectado a una
fuente de potencia, tal como una fuente de electricidad doméstica, transmite energía
por un campo electromagnético a través de un espacio intermedio a uno o más
dispositivos receptores, donde es convertida de vuelta a energía eléctrica y utilizada.
Como buen ejemplo tenemos la siguiente situación, la cual es el foco de atención
de un servidor:
La energia solar (fotovoltaica) se empleó para proveer de electricidad a los satélites
en la decada de los 50’s. En la actualidad se usa para proveer energía desde uso
domestico hasta industrial. Al ser una fuente la cual tiene un impacto minimo en el
medio ambiente cada vez es mas explotada y las investigaciónes nunca se
detienen, pero ¿y si realmente hay una forma de explotar aun más esta fuente y
reducir el impacto ambiental?
Lanzar un satelite al espacio el cual se encargue de producir energia solar a escalas
masivas suena bastante descabellado con la tecnologia actual, el problema esta en
como hacer que dicha energía se transfiera desde la exosfera hasta alguna planta
de distribución energetica que la comparta a una ciudad. Debido a que no se puede
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usar un cable de 200km desde la planta hasta dicho satelite, y tampoco se pueden
estar transportando celdas de energía continuamente ya que el gasto y daño
atmosferico seria contraproducente, la unica opción que tenemos es dispararla de
forma inalambrica desde el espacio exterior hasta una planta receptora. En terminos
mas sencillos, energia inalambrica.
La eneregía inalámbrica ya es una realidad desde finales del 2014 funciona así: un
“Resonador Fuente”; una bobina de cables eléctricos que genera un campo
magnético cuando se adhiere energía. Si otra bobina se pone cerca, una carga
eléctrica puede generarse en esta. No se necesitan cables.
“La idea de eliminar cables nos permitiría rediseñar cosas en formas que nunca
hemos pensado, que solo va a hacer que nuestros dispositivos y todo con lo que
interactuamos sea mucho más eficiente, más práctico y quizá incluso dará
funcionalidad nueva”.(Katie Hall, 2014)
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Antecedentes:
Nikola Tesla
(Smiljan, actual Croacia, 1856 - Nueva York, 1943) Físico estadounidense de origen
serbio. Estudió en las universidades de Graz (Austria) y Praga. Después de haber
trabajado en varias industrias eléctricas en París y en Budapest, se trasladó a
Estados Unidos (1884), donde trabajó a las órdenes de Thomas A. Edison, entonces
partidario de la corriente eléctrica continua.
En 1891 Tesla inventó la bobina que lleva su nombre, que consiste en un
trasformador que consta de un núcleo de aire y con espirales primaria y secundaria
en resonancia paralela. Con esta bobina fue capaz de crear un campo de alta
tensión y alta frecuencia. Dos años después descubrió el fenómeno de carácter
ondulatorio denominado "luz de Tesla" en las corrientes alternas de alta tensión y
alta frecuencia; mediante el estudio de estas corrientes, observó que las lámparas
de incandescencia de un único polo emiten luz cuando se las aproxima a un
conductor por el que pasa corriente eléctrica, y que los tubos de vidrio vacíos brillan
aunque carezcan de electrodo si se les conecta por uno de sus extremos y se
aproxima el otro a un conductor por el que fluye corriente de alta frecuencia.
También se percató de que el cuerpo humano es capaz de conducir estas corrientes
de alta frecuencia sin experimentar daño alguno.
Posiblemente, si viviera, Tesla sería el único ser humano que no tendría en la parte
trasera de su escritorio un gurruño de cables correspondientes al ordenador, la
impresora, el escáner, los altavoces, etc. Y por dos razones: él nunca habría
tolerado tal desorden y, sin duda, todos sus aparatos estarían siempre cargados sin
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necesidad de cables. De hecho, la electricidad inalámbrica, es decir, la capacidad
para transmitir energía eléctrica sin necesidad de cable alguno, fue uno de sus
sueños más obsesivos y persistentes a lo largo de su vida (y eso que tuvo unos
cuantos).
Para Tesla, que recordemos fue la primera persona en patentar un dispositivo
manejado a distancia por control remoto, era cuestión de tiempo lograr no solo dirigir
objetos a distancia, sino también poder alimentarlos eléctricamente, sin necesidad
de estar anclados a un enchufe o a una batería. Pero algo debió fallar en la
predicción de Tesla porque más de cien años después – en plena era de la
comunicación inalámbrica – debemos seguir enchufando nuestros dispositivos a la
red eléctrica o contar con un buen número de pilas o con una batería de larga
duración si queremos que estos tengan vida más allá del cable. Pero, ¿por qué?,
¿por qué tenemos radio, control remoto, televisión vía satélite, Internet por wireless,
etcétera, y no tenemos electricidad inalámbrica?, ¿por qué no existe la Wi-tri-ci-
dad?
Pues en realidad la witricidad sí que existe, y de hecho incluso se comercializa,
aunque de momento su alcance se limita a entornos pequeños como puedan ser el
hogar y la oficina.
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La Inducción electromagnética
Descubierta por Faraday, es un fenómeno que refleja la íntima relación entre la
electricidad y el magnetismo y que se halla muy presente en nuestras vidas.
Supongamos que tenemos un cable conductor por el que hacemos pasar una
corriente eléctrica. Debido al paso de cargas en movimiento se crea alrededor de
dicho cable un campo magnético que inunda todo el espacio próximo. Si en lugar
de un cable recto tenemos un cable arrollado muchas veces – es decir, una bobina
– el campo magnético creado será más intenso y más cuanto más vueltas tenga el
cable.
Si ahora acercamos lo suficiente una segunda bobina como para que quede inmersa
en dicho campo magnético variable, observaremos que se genera en ella una
corriente eléctrica.
Este fenómeno es la base de muchísimos componentes eléctricos, como los
transformadores, además de estar en una gran diversidad de pequeñas
aplicaciones cuasi-inalámbricas como los cepillos de dientes eléctricos, o esos
cargadores de móviles o reproductores mp3 en los que no es necesario conectar un
cable al dispositivo.
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La resonancia
Fenómenos espectaculares (y también clásicos) de resonancia los podemos ver en
la copa que se rompe en mil pedazos ante la nota de una soprano (en este caso es
la frecuencia del sonido la que coincide con la frecuencia de resonancia de la copa)
o en puentes que se balancean como si fueran de mantequilla ante una pequeña –
pero adecuadamente modulada – brisa.
Prácticamente cualquier sistema físico – desde un puente hasta nuestros átomos –
se caracteriza por una o varias frecuencias de resonancia naturales, es decir,
frecuencias a las que son especialmente receptivos para absorber energía, y esto
es lo que emplearon los investigadores del MIT para transferir corriente eléctrica de
manera inalámbrica.
Para ello, ajustaron la frecuencia del campo magnético inductor para que fuera
similar a las frecuencias de resonancia naturales de ambas bobinas. Con esto
lograban que la transferencia de energía eléctrica se hiciera óptima, hasta el punto
de que no era necesario un campo magnético muy intenso para inducir corriente
eléctrica de la bobina primaria a la secundaria, y además, era posible separar ambas
bobinas varios metros sin que decayera la corriente eléctrica inducida.
Este fenómeno, conocido como acoplamiento magnético resonante es, en general,
el sistema utilizado por varias de las empresas que actualmente comercializan
electricidad inalámbrica. En el caso ideal, bastaría comprar un generador de
Witricidad – la bobina primaria – enchufarlo a la red eléctrica y dispondríamos de
energía eléctrica inalámbrica para todos nuestros dispositivos electrónicos del hogar
y de la oficina, de una manera limpia y segura, ya que el campo magnético generado
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apenas interacciona con el organismo, y no se ve afectado por ningún obstáculo
que se interponga en su camino.
Tesla y la Witricidad
Sí, Tesla ya había logrado la witricidad. De hecho, le era tan común que la empleaba
en muchas de sus exhibiciones públicas donde asombraba a propios y extraños
iluminando la estancia con lámparas que parecían encenderse por arte de magia,
tal vez con la esperanza de cazar algún socio inversor.
Pero el método seguido por Tesla era muy diferente al propuesto por los
investigadores del MIT. Tesla empleaba otro fenómeno eléctrico, el acoplamiento
electroestático, para literalmente electrificar toda la habitación. El mismo cuenta
como disponía dos placas conductoras separadas una pequeña distancia. Cada
placa estaba conectada a sendos extremos de una bobina conductora por la cual
Tesla hacía pasar una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia. En sus propias
palabras: “[…]una vez conectado[…]podías pasear un tubo de vacío por toda la
habitación que, incluso a una cierta distancia, permanecía siempre i luminado”
(Martin, T. C., & Tesla, N. (1894).
Para él, tanto este sistema como el que años después desarrollarían los
investigadores del MIT, no era la autentica electricidad inalámbrica. ¿Por qué?
Porque tanto en un caso como en otro seguimos necesitando un enchufe donde
conectar nuestro generador de witricidad. Es decir, seguimos necesitando largos
cables que afeen nuestro paisaje para transportar la electricidad desde donde se
produce – ya sea una central hidroeléctrica o una central nuclear – hasta nuestro
hogar e industria. Tesla iba más allá. Pretendía transportar la energía eléctrica
desde donde se genera hasta cualquier punto del planeta sin uno solo cable – y ,
según dice, de manera gratuita -. Una auténtica witricidad a escala global. Este fue
el gran sueño de su vida y el que le destruyó.
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Bases Teoricas:
La energía inalámbrica ha sido tema de estudio desde finales del siglo XIX hasta la
actualidad, el principal representante de este tema fue Nikola Tesla, quien en 1891
desarrolló, inventó y pantetó el circuito de bobina que lleva su nombre.
En la transmisión de energía desde el espacio se usarían (todavía no existe)
paneles solares donde la radiación solar es un 35% superior a la terrestre. Estos
paneles transforman la energía del Sol en energía eléctrica, la cual se transforma
en energía de microondas de baja intensidad y es enviada a la Tierra donde una
antena de rectificación (rectenna) la recoge y la vuelve a transformar en
electricidad.(Domingo, G. & Domingo, F.)
“En este trabajo de investigación hemos buscado y experimentado sobre varios
campos al mismo tiempo, pero principalmente nos hemos centrado en la
transferencia de energía inalámbrica mediante diversos métodos, todos muy
parecidos entre ellos y con varios aspectos y fundamentos en común,
especialmente el efecto Tesla. Concretamente hemos realizado 3 prácticas, en las
cuales se demuestran dicho efecto, excepto la segunda práctica por la que hemos
querido demostrar el efecto de los electroimanes, en otras palabras un motor
eléctrico.
La motivación principal y el porqué de la realización de este proyecto, han sido las
ganas de conocer con mayor profundidad la causa del efecto Tesla y sus resultados,
concretamente, en una de las prácticas realizadas en este proyecto, la Bobina Tesla
llamada así por su inventor, Nikola Tesla”( Fuente, J. & Pedrola, A. 2019)
“Simplemente ya no pensamos en eso: voy a manejar mi automóvil a casa y nunca
voy a tener que ir a la gasolinera y nunca voy a tener que conectarlo.
Ni siquiera puedo imaginar cómo cambiarán las cosas cuando vivamos así.
La idea de eliminar cables nos permitiría rediseñar cosas en formas que nunca
hemos pensado, que solo va a hacer que nuestros dispositivos y todo con lo que
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interactuamos sea mucho más eficiente, más práctico y quizá incluso dará
funcionalidad nueva”.(Hall, K. 2014)
El reto ahora es aumentar la distancia en la que la energía puede transferirse
eficientemente. Esta distancia; explica Hall, está vinculada con el tamaño de la
bobina, y Witricity quiere perfeccionar las mismas transferencias de larga distancia
a dispositivos de escala pequeña de hoy en día.
Por esta razón, el equipo tiene grandes esperanzas para su nueva creación:
baterías AA que se recargan inalámbricamente (CNNEspañol, 2014).
“La torre Wardenclyffe
Sin embargo, mi bobina era mucho más que un simple generador de rayos para
espectáculos nocturnos. Mi bobina era, nada menos, que el pilar sobre el que
pretendía sustentar el desarrollo de una de mis ideas más grandiosas: la transmisión
de la electricidad sin hilos, que habría permitido a toda la Humanidad disfrutar de
los beneficios de la energía sin coste alguno. La base sobre la que debía apoyarse
este proyecto eran las torres de transmisión, en cuyo prototipo trabajé durante
cuatro años en mis laboratorios Wardenclyffe, en Long Island. La torre Wardenclyffe
era básicamente una bobina de Tesla gigante, de casi sesenta metros de altura,
que elevaba la tensión de la corriente alterna a cientos de miles de voltios. Allí
demostré sobradamente que la transmisión de energía sin cables no solo era una
posibilidad, sino una realidad. No en vano conseguí encender decenas de bombillas
que previamente mis ayudantes y yo mismo habíamos enterrado parcialmente en el
terreno circundante. Las bombillas, sin utilizar cables ni ningún tipo de conector, se
iluminaban aprovechando simplemente la diferencia de potencial entre el suelo y el
aire ionizado por la alta tensión creada en la cúspide de la estructura. Un éxito
rotundo, sí. Pero la torre no se limitaba a eso, porque desde ella también planeaba
enviar señales electromagnéticas para la transmisión gratuita de voz, de música,
incluso de imágenes… Sí, habría sido maravilloso, y, sin embargo… ¿Que por qué
abandoné este ambicioso proyecto? No, no. No fui yo. Yo seguía teniendo ideas y
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desbordando ilusión, pero parece que mi patrocinador, el banquero J. P. Morgan,
no estaba en la misma onda, si me permiten el juego de palabras. Yo seguía
teniendo ideas, sí, pero él dejó de financiarme y, por muy elevados que sean los
motivos que nos mueven, solo con ideas no se pueden levantar torres de sesenta
metros. Cuando Marconi realizó la primera transmisión de radio transatlántica,
usando por cierto más de diez de mis patentes, creo que Morgan tuvo la sensación
de que habíamos perdido una batalla, a pesar de que yo ni siquiera sabía que
estábamos en guerra. O, tal vez, se dio cuenta de que la transmisión de energía
gratis no iba a reportarle ningún beneficio. El caso es que dejó de financiar mis
experimentos, y la torre finalmente fue derribada durante la Primera Guerra Mundial,
porque, según me dijeron, dificultaba el despliegue de los globos cautivos. Valiente
tontería.” (Los inventos, Tesla, N., Encontrado 1943)
Tesla estuvo a nada de crear energía inalámbrica para todos, aunque, posiblemente
el campo electromagnético por el acoplamiento electroestático habría terminado
cargándonos a todos de estática en el mejor de los casos.
Sin embargo, el fundo la base de la tecnología inalámbrica – no solo la electricidad
– gracias a sus esfuerzos hoy podemos disfrutar de algunos beneficios como son
las telecomunicaciones, pero, considero yo, que en un futuro será posible que un
satélite disipare una carga electromagnética a una central de transformación
eléctrica y desde esta se genere una señal adicional que provea de electricidad sin
uso de cables a todos los equipos, hogares, edificios e industrias, o yendo un poco
más lejos, equipos médicos introducidos al cuerpo como marcapasos, prótesis
robóticas, monitores médicos, etc.
Aunque de momento el foco de atención en el tema es proporcionar energía
totalmente limpia e inagotable aprovechando todo aquello que se pierde en el vacío
espacial lejos de nuestro planeta.
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Referencias:
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http://teslablog.iaa.es/los-inventos
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