Laboratorio de Física

“Bobina de Tesla”

Marzo 2014.

Introducción

El nombre de Nikola Tesla es legendario por su genio científico y su capacidad de invención. Su rivalidad con Thomas Alva Edison y también su enfrentamiento directo con J. P. Morgan, el empresario que le negó el apoyo financiero cuando supo del proyecto del físico para llevar los beneficios de la energía eléctrica al mayor número posible de personas, pero gratuitamente (lo cual, según algunos, sí consiguió pero sus descubrimientos fueron incautados por no beneficiar intereses económicos de una élite).

La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce en altas tenciones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables como sorprendentes efluvios, coronas y arcos eléctricos. Tesla construyó un circuito oscilador (un capacitor conectado en paralelo a una bobina) que llamó primario y acercó una bobina secundaria, cuya frecuencia natural fuese la misma del circuito primario; de la relación de vueltas entre el primario y secundario depende el voltaje obtenido.

Su nombre se lo debe a Nikola Tesla, un ingeniero serbio-estadounidense que en 1891 desarrolló un generador de alta frecuencia y alta tensión con el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores. Aunque su idea no prosperó, a Tesla le debemos la corriente trifásica, los motores de inducción que mueven a las industrias y otras 700 patentes más.

Justificación

En este proyecto decidimos realizar una bobina de tesla porque con ella se explican varios fenómenos, no es muy compleja. Presentamos una bobina básica formada por un capacitor, bobina primaria, secundaria y al igual de un transformador, explosor.Decidimos realizar La Bobina de Tesla porque es un generador electromagnético que produce altas tensiones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables como sorprendentes efluvios, coronas y arcos eléctricos. La Bobina de Tesla causa gran impresión por su espectacularidad y provoca interés por conocer su funcionamiento; una excelente manera de comprenderla y disfrutarla resulta mediante la construcción de una bobina propia.

Objetivo

Exponer las características principales, principios de funcionamiento y construcción de la Bobina de Tesla.

Probar la relación con los temas de ondas y campos electromagnéticos.

Fundamentos teóricos

Nikola Tesla construyó sus primeras bobinas en la primavera de 1891 (ya residiendo en Estados Unidos de América desde 1884) basándose en las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia del físico inglés 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 o chispero (spark-gap en inglés) en su funcionamiento.

Un explosor o chispero básicamente cosiste en dos electrodos enfrentados próximos, típicamente esféricos, entre los cuales se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión eléctrica que sobrepasa un valor determinado, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación de los electrodos. La tensión a la que salta la chispa del explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar está el chispero y hacer saltar chispas sobre éste.

Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el arrollamiento primario de la bobina Tesla. Ésta actúa como transformador elevador de tensión autorresonante, por lo que da lugar en su enrollamiento secundario a tensiones de alta frecuencia de muy alta tensión, como se ha dicho anteriormente, de decenas de miles e incluso cientos de miel de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina. El circuito se completa con un condensador de alta tensión, necesario junto con el primario de la bobina de Tesla para la generación de impulsos de alta frecuencia.

Actualmente, las bobinas de Tesla que funcionan con chispero se alimentan con un transformador de red eléctrica de alta tensión, el cual proporciona por su enrollamiento secundario la alta tensión necesaria al chispero para producir las chispas. Pero en la época en la que Tesla comenzó a desarrollar sus primeras bobinas de alta tensión, la única fuente de alta tensión disponible fue el carrete o bobina de Ruhmkorff. El carrete de Ruhmkorff es una especie de bobina transformadora que permite obtener tensiones muy elevadas a partir de una corriente continua. Fue ideado en 1850 por el mecánico parisino de origen alemán Heinrich Daniel Ruhmkorff, época en la que no se empleaban las corrientes alternas, y es el antecesor de los modernos transformadores eléctricos.

Para poder construir este aparato denominado “Bobina de Tesla” es necesario conocer los siguientes conceptos para poder entender mejor el funcionamiento de este aparato: Condensador o capacitor.

Un capacitor está compuesto de dos placas metálicas separados por un dieléctrico. Su función es almacenar cargar

eléctricas. El material aislante que separa las placas se llama dieléctrico y generalmente se usa aire, vidrio, mica, etc. Si dos placas cargadas eléctricamente están 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 eléctrica. Se define como la propiedad que tienen los capacitores de almacenar cargas eléctricas. La unidad fundamental de la capacidad es el farad o faradio (F).

Inductor o bobina. Si se toma un conductor, por ejemplo, un alambre y se enrolla, se forma una bobina; si se hace que fluya una corriente por ella se establecerá un campo magnético muy poderoso equivalente al que tiene una barra de acero imantada con sus polos norte y sur. Es posible demostrar que el flujo de corriente que para por un conductor está acompañado por efectos magnéticos. La corriente, en otras palabras, establece un campo magnético.

Si se hace 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 dicho campo magnético variable se coloca otro bobina (bobina secundaria), en está 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).

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

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

Oscilador.

Es un circulo electrónico capaz de generar corrientes alternas de cualquier frecuencia.

Frecuencia natural. Todos 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 llama su frecuencia natural.

Comportamiento electromagnético. Una corriente eléctrica en un alambre es un flujo de electrones. Cuando existe una corriente eléctrica dentro de una substancia, los electrones saltan átomo a átomo, o de molécula a molécula. Los electrones móviles forman parte de la propia substancia. Una bobina de alambre preparada con el propósito de producir un campo magnético recibe el nombre de electroimán. La potencia del electroimán depende de la magnitud de la corriente, del número de espiras, del diámetro y de la longitud de la bobina y del material del núcleo.

Un capacitor cargado es una fuente de corriente. Si se proporciona la trayectoria, los electrones en una placa viajaran a la otra, disminuyendo la carga neta en cada placa. Cualquier conductor utilizado para conectar las placas de un capacitor provocara que éste se descargue. No obstante, la proporción de descarga varía en forma considerable con el tamaño, la forma, el material y la temperatura del conductor. Si un alambre grueso y corto se conecta a las placas, el capacitor se descarga instantáneamente, indicando una transferencia muy rápida de

carga. Esta corriente, que existe por un tiempo muy corto, se denomina corriente transitoria. La capacitancia es la razón de la carga Q al potencial V para un conductor concreto. En el caso de dos placas con cargas opuestas, la Q se refiere a la carga en cada placa y la V a la diferencia de potencial entre ellas.

C=QV

En un condensador de placas paralelas, el material que se encuentra entre las placas se conoce como dieléctrico. La inserción de dicho material produce un efecto en el campo eléctrico y el potencial entre las placas. Por tanto su presencia cambia la capacitancia. La constante dieléctrica K para un material en particular es la razón de la capacitancia con el dieléctrico C a la capacitancia para un vacío Co.

K= CCoK=

V oVK=

EoE

La capacitancia de un condensador de placas paralelas depende del área superficial A de cada placa, de la separación entre las placas, d, y de la permisividad o constante dieléctrica. La ecuación general es:

C=∈ AdC=K∈ A

dCapacitancia

La energía potencial almacenada en un condensador cargado se determina mediante cualquiera de las relaciones siguientes:

U=12QV U=1

2CV 2U=Q

2

2C

Cuando C se expresa en farads, V en volts y Q en columbs, la energía potencial estará expresada en joules. Un campo eléctrico puede producir un campo magnético, al igual que un campo magnético puede generar un campo eléctrico. Una corriente eléctrica se genera mediante un conductor que tiene un movimiento relativo respecto a un campo magnético. Una bobina giratoria en un campo magnético induce una fem alterna, la cual origina una corriente alterna (ca). A este proceso se le llama inducción electromagnética.

Ley de Faraday Faraday descubrió que cuando un conductor corta las líneas de flujo magnético, se produce una fem entre los extremos de dicho conductor…

Resonancia Puesto que la inductancia ocasiona que la corriente se retrase respecto al voltaje y la capacitancia es la causa de que la corriente se adelante a éste, su efecto combinado hace que se cancelen mutuamente. La reactancia total está dada por X L−XC, y la impedancia en el circuito es mínima cuando X L=XC. Cuando se presenta esta situación, solo la resistencia R se mantiene y la corriente alcanza su valor máximo. Habiendo establecido que X L=XC, podemos escribir

2π f r L=1

2π f rC

f r=1

2π √LC

Material

Cantidad

Artículo.

1 Botella de plástico (alcohol o agua destilada) de 1 L.100mts Alambre de cobre esmaltado calibre 25.3mts Alambre de cobre forrado de plástico calibre 12.1mt Alambre de cobre forrado de plástico calibre 252mts Cable dúplex calibre 16.1 Transformador tipo Tesla de 127 V. de entrada y salida a 1500 v. y 30

mA.1 Clavija.1 Foco 100 W a 125 volts.1 Receptáculo para el foco.1 Interruptor de un polo, 1 tiro para 125 volts.1 Rectángulo de Triplay 35 cm x 20 cm x 1 cm de espesor.2 Tornillos de cabeza de coche de ¼ de in de diámetro por 2 in de largo.4 Tuercas para tornillos de ¼ de in.2 Rondanas para tornillos de ¼ de in.8 Pijas fijadoras de 1/8 x ½ de in.2 Pijas fijadoras de 5/32 x ¾ de in.4 Pijas fijadoras de 1/8 x 1 in.4 Pijas fijadoras de 3/16 x ¾ de in.1 Pija fijadoras de 3/16 x 2 in.4 Tornillos 10/32 x 1/2 in.4 Tornillos 3/16 x 1 y ½ in.6 Hojas de acetato para copias tamaño carta.1 m Papel aluminio.4 Tiras de madera de 2 x1cm x 15cm de largo.1 Ángulo de aluminio de 2.5 x 2.5 x 15 cm de largo calibre 2.2.2 Ángulos de aluminio de 3.5cm x 4.6cm y 1.5 cm de espesor.2 Vidrios de 10 cm x 10cm x 3 mm de espesor.

Además se necesitarán las siguientes herramientas: Desarmador plano y de cruz. Pinza de corte y pinza de punta. Tijeras.

Regla graduada. Taladro. Lija.

Procedimiento

1. A 0.5 cm de la parte superior de plástico, se hacen 3 orificios pequeños separados 1 cm; en el otro entremos se hacen solamente 2 orificios. En uno de los extremos se mete el alambre de cobre calibre 25, y se enrolla de forma continua hasta llegar al otro extremo, dejando 20 cm de alambre al inicio y al final y se hace una pequeña bobina en el extremo superior (electrodo).

2. Con el alambre de calibre 12, se hace una bobina (bobina primaria), de manera que sean de 6 a 8 espiras de aproximadamente 12 cm de diámetro, dejando 8 cm al final y 20 cm al final.

3. La botella de plástico (bobina secundaria) será fijada con una pija larga de 3/16 x 2’’) al rectángulo de triplay.

4. La bobina primaria es colocada alrededor de la bobina secundaria.5. El explosor será construido con los dos ángulos de aluminio de 3.5cm x 4.6cm

x 1.5 cm de espesor. Se les hace un orificio de 1/4’’ a 3 cm de altura en cualquier lado del ángulo. En cada orificio se coloca un tornillo (cabeza e cobre) con una tuerca y se le pone la roldana con la otra tuerca. Se fijan a una distancia de 2.3 cm de separación entre cada uno en el rectángulo de triplay, con dos pijas de 1/8 x 1’’ en las partes no perforadas de cada ángulo, de tal forma que los tornillos se encuentren y estos se ajustan hasta una separación aproximada de 1 mm para que se produzca una chispa.

6. El capacitor será construido con las hojas de acetato, el aluminio y vidrio. Se cortan las hojas de acetato en cruz y quedan 4 hojitas iguales, y después se cortan 11 rectángulos de papel aluminio de 9 cm x 15 cm. De esta manera se colocan dos rectángulos de acetato y uno de papel aluminio, este último se coloca de manera que sobresalga 4 cm por el lado más corto del acetato, enseguida se colocan otras dos hojitas de acetato y encima de estas otro papel aluminio, de manera que también sobresalga 4 cm pero del lado contrario, y así sucesivamente. Después de esto, se ponen en cada extremo los cuadros de vidrio de 10 cm x 10 cm que servirán como pasador y placas para mantener unidas hojas de acetato y papel aluminio.A 1.5 cm de cada extremo de las tiras de triplay se les hace un orificio de 3/16’’. Se colocan dos tiras de triplay en un lado del capacitor y las otras dos del lado contrario, para así lograr detener el capacitor, cuidando que los orificios de las tiras de triplay coincidan, para así colocar los tornillos de 3/16 x 1 y 1/2’’ en los orificios y se colocan las tuercas enroscándolas ligeramente.Al ángulo de aluminio de 2.5 x 2.5 x 15 cm de largo calibre 2.2. se le hacen dos orificios de 3/16’’ con una separación de 7 cm. Se hacen otros dos orificios del lado no perforado de manera que puedan coincidir con los orificios de las tiras de triplay del capacitor, porque éste será colocado en el ángulo de aluminio removiendo las tuercas de dos extremos del capacitor y se meten los

tornillos en el ángulo de aluminio, procurando apretar el capacitor para que no se mueva. Se enroscan las tuercas fuertemente y el capacitor debe quedar sujeto al ángulo de aluminio. Dicho ángulo de aluminio debe ser fijado al rectángulo de triplay colocando los tornillos en los dos orificios previamente hechos.

7. Se cortan 2 pedazos de 20 cm de largo alambre de cobre forrado de plástico calibre 25, se pelaran 9 cm en uno de los extremos de ambos pedazos, así son envueltos con el aluminio de los extremos del capacitor. Se conecta uno de estos cables del capacitor a una de las puntas de la bobina primaria y el otro cable la punta será conectada a una de las placas del explosor.

8. Se conecta la punta inferior de la bobina secundaria a otra placa del explosor (ver diagrama).

9. Se fija el transformador Tesla al rectángulo de triplay y los cables de salida del secundaria, cables rojos, se conectan a los ángulo que forman parte del explosor.

10. Se conecta la clavija al cable dúplex y éste al receptáculo. Se uno de los cables del interruptor con el cable dúplex y el otro cable a una de las entradas del transformador Tesla (cables negros), la otra entrada se conecta al receptáculo y se coloca el foco de 60 w. Se fija el receptáculo con las fijas.

Cronograma

Febrero.Domingo. Lunes. Martes. Miércoles. Jueves. Viernes. Sábado.

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MarzoDomingo. Lunes. Martes. Miércoles. Jueves. Viernes. Sábado.

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Bibliografía

Ibarra Silva, Martín.Física II.

http://www.fisicaeducativa.com.mx/diseno_experimentos/Bobina-Tesla.pdf Recuperado el día lunes 23 de enero de 2014

http://proyectofisica10b.blogspot.mx/2010/05/marco-teorico.html Recuperado el día lunes 25 de enero de 2014

http://www.explora.cl/index.php? option=com_content&view=article&id=621:sobre-la-electrodinamica-de-la-bobina-de-tesla-y-albert-einstein-&catid=203:ciencias-fisicas-y-matematica&Itemid=1090Recuperado el día lunes 25 de enero de 2014

http://www.acmor.org.mx/sites/default/files/119.pdf Recuperado el día 27 de enero de 2014.