Bobina de Tesla
Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados.
Una bobina Tesla grande de diseño actual puede operar con niveles de potencia con picos muy altos, hasta muchos megavatios (un millón de vatios). Debe por tanto ser ajustada y operada cuidadosamente, no sólo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a un ajuste inapropiado, el punto de máximo voltaje ocurre por debajo de la terminal, a lo largo de la bobina secundaria, una chispa de descarga puede dañar o destruir el cable de la bobina, sus soportes o incluso objetos cercanos.
El arrollamiento primario, el spark gap y el depósito condensador están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de la alimentación AC carga el depósito condensador hasta que su voltaje es suficiente para producir la ruptura del spark gap. El gap se dispara, permitiendo al depósito condensador cargado descargarse en la bobina primaria. Una vez el gap se dispara, el comportamiento eléctrico de cada circuito es idéntico. Los experimentos han mostrado que ninguno de los circuitos ofrece ninguna ventaja de rendimiento sobre el otro.
En el ajuste de la bobina la frecuencia de resonancia de la bobina primaria se ajusta al mismo valor de la bobina secundaria. Es recomendable para comenzar usar oscilaciones de baja potencia, y a partir de estas incrementar la potencia hasta el momento en el que el aparato esté bajo control. Mientras se ajuste, se suele añadir una pequeña proyección -llamada "break out bump"- al terminal superior para estimular descargas de corona y de chispas -también llamadas "streamers"- en el aire circundante. La bobina puede entonces ajustarse para conseguir las descargas más largas a una cierta potencia dada, correspondiendo a la coincidencia de frecuencias entre la bobina primaria y la secundaria. La "carga" capacitiva de estos streamers tiende a bajar la frecuencia resonante de una bobina Tesla funcionando a potencia máxima. Por distintas razones técnicas, resulta efectivo elegir a los terminales superiores de la bobina con forma toroidal.
Ya que las bobinas Tesla pueden producir corrientes o descargas de muy alta frecuencia y voltaje, son útiles para diferentes propósitos entre los que se incluyen demostraciones prácticas en clases, efectos especiales para teatro y cine, y pruebas de seguridad de diferentes tecnologías. En su funcionamiento más común, se producirán largas descargas de alto voltaje en todas direcciones alrededor del toroide, que resultan muy espectaculares.
Descargas aéreas
Al generar las descargas, se produce una transferencia de energía eléctrica entre la bobina secundaria y el toroide y el aire circundante, transferencia que se produce en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de estas descargas se deben a la rápida oscilación de cargas desde el terminal superior al aire circundante. El proceso es similar a cargar o descargar un condensador. La corriente que surge de aumentar la carga en un condensador se denomina corriente de desplazamiento. Al producirse estas corrientes de desplazamiento, se forman pulsos de carga eléctrica que se transfieren rápidamente entre el toroide de alto voltaje y las regiones de aire cercanas, llamadas regiones de carga espacial. Estas regiones de carga juegan un papel fundamental en la aparición y situación de las descargas de las bobinas Tesla.
Cuando el explosor se dispara, el condensador cargado se descarga en el primer arrollamiento, lo que hace que el circuito primario empiece a oscilar. La corriente oscilante crea un campo magnético que se acopla con el segundo arrollamiento, transfiriendo energía a la parte secundaria del transformador y produciendo que este oscile con la capacitancia toroidal. La transferencia de energía ocurre durante varios ciclos, y la mayor parte de la energía que originalmente se encontraba en la parte primaria, pasa a la secundaria. Cuanto mayor es el acoplamiento magnético entre los arrollamientos, menor será el tiempo requerido para completar la transferencia de energía. Según la energía crece en el circuito oscilante secundario, la amplitud del voltaje RF del toroide crece rápidamente, y en el aire circundante al toroide se produce una ruptura del dieléctrico, formando una descarga de corona.
Según se sigue incrementando la energía (y el voltaje exterior) de la segunda bobina, se producen pulsos mayores de corriente de desplazamiento que ionizan y calientan el aire. Esto forma una “raíz” de plasma caliente muy conductora, llamada chispa directora que se proyecta hacia el exterior del toroide. El plasma en esta “conductora” está considerablemente más caliente que una descarga de corona, y es considerablemente más conductora. De hecho, tiene propiedades similares a un arco eléctrico. La conductora se bifurca en miles de descargas mucho más finas, similares a cabellos, llamadas streamers.
Estos streamers son como una “niebla” azulada al final de las conductoras más luminosas, y son estos los que transfieren la carga entre el toroide y las regiones espaciales de carga circundantes. Las corrientes de desplazamiento de incontables streamers alimentan a la conductora, ayudando a mantenerla caliente y eléctricamente conductora.
En una bobina Tesla con explosor, el proceso de transferencia de energía entre los circuitos primarios y secundarios ocurre repetidamente a unas tasas típicas de transferencia de 50/500 veces por segundo, y los canales conductores previamente formados no tienen oportunidad de enfriarse totalmente entre pulsos. De esta forma, en pulsos sucesivos, las nuevas descargas pueden construirse en los rastros calientes dejados por sus predecesoras. Esto produce un crecimiento consecutivo de las conductoras de un pulso al siguiente, alargando la descarga en cada pulso sucesivo.
La repetición de los pulsos produce que las descargas crezcan hasta que la energía media que está disponible en la bobina Tesla durante cada pulso se equilibre con la energía media perdida en las descargas (mayormente por calor). En este punto se alcanza el equilibrio dinámico, y las descargas alcanzan su máxima longitud para esa potencia exterior de la bobina. Esta única combinación de un alto voltaje creciente de radiofrecuencia y una repetición de pulsos parece ajustarse de forma ideal para crear descargas largas y bifurcadas que son considerablemente mayores que las que se podrían esperar simplemente considerando el voltaje exterior. Más de 100 años después del uso de las primeras bobinas Tesla, hay muchos aspectos de las descargas y de los procesos de transferencia de energía que todavía no se comprenden en su totalidad.
Recepción
La bobina secundaria y su condensador se pueden usar en modo receptivo. Los parámetros de una bobina Tesla transmisora son aplicables idénticamente para ser un receptor, debido a la reciprodicidad electromagnética. La impedancia, sin embargo, no se aplica de manera obvia. La impedancia en la carga eléctrica externa es más crítica, y para un receptor, este es el punto de utilización (como en un motor de inducción) más que en el nodo receptor.
Las bobinas Tesla también se pueden construir para utilizar la electricidad atmosférica, aunque generalmente no se usan con estos propósitos. Tesla sugirió que una variación de la bobina Tesla podría utilizar el efecto “phantom loop” para formar un circuito capaz de inducir energía del campo magnético de la Tierra y otras fuentes de energía radiante. Este concepto es parte de su transmisor de energía sin cables.
Mientras que Tesla demostró la transmisión de potencia eléctrica sin cables de un transmisor a un receptor, señalamos, con respecto a las especulaciones de Tesla relacionadas con el aprovechamiento de fenómenos naturales para obtener potencia eléctrica, que este artículo no cita ninguna demostración pública de este tipo de tecnología, por ningún individuo, grupo, o entidad de algún tipo.
El mito del efecto pelicular o piel (skin effect)
Los peligros de las corrientes de alta frecuencia se perciben a veces como menores que los producidos a bajas frecuencias. Esto se suele interpretar, erróneamente, como debido al efecto pelicular, un efecto que tiende a inhibir la corriente alterna que fluye dentro de un medio conductor. Aunque el efecto pelicular es aplicable dentro de conductores eléctricos (por ejemplo metales), la “profundidad de penetración” de la carne humana a las frecuencias típicas de una bobina Tesla es del orden de los 100 cm o más. Esto significa que corrientes de alta frecuencia seguirán fluyendo preferentemente a través de partes mejor conductoras del cuerpo como el sistema circulatorio y el nervioso. Debido a que el cuerpo no provee una señal de shock, los inexpertos pueden tocar los streamers exteriores de una pequeña bobina Tesla sin sentir dolorosos shocks. Sin embargo, hay pruebas entre experimentadores de bobinas Tesla de haber sufrido daño temporal en los tejidos, el cual puede ser observado como dolor de músculos, articulaciones u hormigueo durante horas e incluso días después. Se cree que esto puede deberse a los efectos dañinos del flujo de corrientes internas, y es especialmente común con bobinas Tesla de onda continua, de estado sólido o de vacío.
Grandes bobinas Tesla y amplificadores pueden producir niveles peligrosos de corriente de alta frecuencia, y también altos voltajes (250.000/500.000 voltios o más). Debido a sus altos voltajes se pueden producir descargas potencialmente letales desde los terminales superiores. Doblando el potencial exterior se cuadruplica la energía electrostática almacenada en un terminal de cierta capacitancia dada. Si un experimentador se sitúa accidentalmente en el camino de una descarga de alto voltaje a tierra, el shock eléctrico puede causar espasmos involuntarios y puede inducir fibrilación ventricular y otros problemas que puedan matarnos. Incluso bobinas de baja potencia de vacío o de estado sólido pueden producir corriente de radio frecuencia que son capaces de causar daños temporales en tejidos internos, nervios o articulaciones a través de calentamiento Joule. Además un arco eléctrico puede carbonizar piel, produciendo dolorosas y peligrosas quemaduras que pueden alcanzar el hueso, y que pueden durar meses hasta su curación. Debido a estos riesgos, los experimentadores con conocimientos evitan el contacto con los streamers de todos excepto los sistemas más pequeños. Los profesionales suelen usar otros medios de protección como una jaula de Faraday, o trajes de cota de malla para evitar que las corrientes penetren en el cuerpo. Una amenaza que no se suele tener en cuenta es que un arco de alta frecuencia puede golpear el primario, pudiendo producirse también descargas mortales.
Popularidad
Las bobinas Tesla son dispositivos muy populares entre ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. A alguien que construye una bobina de Tesla como hobby se le llama “bobinador Tesla”. Hay incluso convenciones donde la gente acude con sus bobinas caseras y otros dispositivos de interés. Las bobinas Tesla de baja energía se usan también como fuentes de alto voltaje para la fotografía Kirlian. También se usan como elementos educacionales.
En la ficción
- Las bobinas Tesla aparecen como armas en muchos juegos de ordenador, generalmente disparando pulsos de electricidad a los enemigos. También aparecen otras armas con la palabra Tesla en sus nombres. Ejemplos de estos juegos son: Blood, Command & Conquer: Red Alert, Destroy All Humans!, Tomb Raider: Legend, Arcanum: Of Steamworks and Magick Obscura, Return to Castle Wolfenstein, Tremulous (un mod de Quake3), World of Warcraft, Dystopia (un mod de Half-Life 2), Ratchet and Clank, BloodRayne 2, Crimson Skies, Blazing Angels 2 Secret Missions From WW2 y Fallout 3.
- En el juego "Sims: Bustin' Out", para la Gamecube de Nintendo, la GBA y la PS2, es posible comprar una bobina Tesla. Cuando los Sims la usan, les da experiencia mecánica.
- En la película de Jim Jarmusch Coffee and Cigarettes (2003), una de las secciones en las que está dividida la película se titula "Jack shows Meg his Tesla coil". En ella actúan Jack y Meg White, músicos del grupo "The White Stripes". En la escena, los dos aparecen tomando un café, y Jack le explica a Meg el trabajo de Tesla, y le muestra una bobina Tesla que ha construido.
- En la película "El truco final: El prestigio" aparece una clara alusión a Nikola Tesla así como a la bobina que lleva su nombre.
- En el Juego Assassins Creed 2 se menciona que Nikola Tesla habría creado La Bobina Tesla gracias al conocimiento y energía que le brindaba un Fragmento del Edén. Finalmente Nikola Tesla utilizó su invención para destruir dicho fragmento cuando este le fue arrebatado y llevado a Tunguska, provocando el Evento de Tunguska.
- En la película "El Aprendiz de Brujo" David (Jay Baruchel) quien trabajaba -como proyecto universitario- en la bobina Tesla hace que la frecuencia de transmisión cambie para generar música.
Wikipedia