Bobina de Tesla

Circuito transformador resonante eléctrico inventado por Nikola Tesla

Una bobina de Tesla es un circuito transformador resonante eléctrico diseñado por el inventor Nikola Tesla en 1891. ^[1] Se utiliza para producir electricidad de corriente alterna de alto voltaje , baja corriente y alta frecuencia . ^{[2] [3]} Tesla experimentó con varias configuraciones diferentes que consistían en dos, o a veces tres, circuitos eléctricos resonantes acoplados .

Tesla utilizó estos circuitos para realizar experimentos innovadores en iluminación eléctrica , fosforescencia , generación de rayos X , fenómenos de corriente alterna de alta frecuencia , electroterapia y transmisión de energía eléctrica sin cables . Los circuitos de bobinas de Tesla se utilizaron comercialmente en transmisores de radio de descarga de chispas para telegrafía inalámbrica hasta la década de 1920, ^{[1] [4]} y en equipos médicos como dispositivos de electroterapia y rayos violeta . Hoy en día, su uso principal es para exhibiciones educativas y de entretenimiento, aunque las bobinas pequeñas todavía se utilizan como detectores de fugas para sistemas de alto vacío. ^{[5] [6]}

Originalmente, las bobinas de Tesla utilizaban chispas fijas o chispas rotativas para proporcionar excitación intermitente del circuito resonante; más recientemente, se utilizan dispositivos electrónicos para proporcionar la acción de conmutación requerida.

Operación

Bobina Tesla casera en funcionamiento, que muestra descargas en escobilla del toroide. El alto campo eléctrico hace que el aire alrededor del terminal de alto voltaje se ionice y conduzca electricidad, lo que permite que la electricidad se filtre al aire en descargas de corona de colores , descargas en escobilla y arcos eléctricos . Las bobinas Tesla se utilizan para el entretenimiento en museos de ciencia y eventos públicos, y para efectos especiales en películas y televisión.

Circuito de bobina Tesla unipolar. C2 no es un capacitor real, sino que representa la capacitancia de los devanados secundarios L2 , más la capacitancia a tierra del electrodo toroidal E.

Una bobina de Tesla es un oscilador de radiofrecuencia que impulsa un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir altos voltajes a bajas corrientes. ^{[4] [7] [8] [9] [10] [11]} Los circuitos originales de Tesla y la mayoría de las bobinas modernas utilizan un simple espacio de chispa para excitar las oscilaciones en el transformador sintonizado. Los diseños más sofisticados utilizan interruptores de transistores o tiristores ^[7] u osciladores electrónicos de tubo de vacío para impulsar el transformador resonante.

Las bobinas de Tesla pueden producir voltajes de salida de 50  kilovoltios a varios millones de voltios para bobinas grandes. ^{[7] [9] [11]} La salida de corriente alterna está en el rango de baja frecuencia de radio , generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. ^{[9] [11]} Aunque algunas bobinas impulsadas por oscilador generan una corriente alterna continua , la mayoría de las bobinas de Tesla tienen una salida pulsada; ^[7] el alto voltaje consiste en una cadena rápida de pulsos de corriente alterna de radiofrecuencia.

El circuito común de bobina de Tesla excitado por chispa, que se muestra a continuación, consta de estos componentes: ^{[8] [12]}

• Un transformador de suministro de alto voltaje (T) para elevar el voltaje de la red de CA a un nivel lo suficientemente alto como para hacer saltar el chispazo. Los voltajes típicos están entre 5 y 30 kilovoltios (kV). ^[12]
• Un condensador (C1) que forma un circuito sintonizado con el devanado primario L1 del transformador Tesla
• Un espacio de chispa (SG) que actúa como un interruptor en el circuito primario
• La bobina de Tesla (L1, L2) , un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire , que genera el alto voltaje de salida.
• Opcionalmente, se puede colocar un electrodo capacitivo (carga superior) (E) en forma de esfera o toro metálico liso adherido al terminal secundario de la bobina. Su gran superficie suprime la ruptura prematura del aire y las descargas de arco, aumentando el factor Q y el voltaje de salida.

Transformador resonante

El transformador especializado utilizado en el circuito de bobina de Tesla (L1, L2) , llamado transformador resonante , transformador de oscilación o transformador de radiofrecuencia (RF), funciona de manera diferente a los transformadores ordinarios utilizados en circuitos de potencia de CA. ^{[13] [14] [15]} Mientras que un transformador ordinario está diseñado para transferir energía de manera eficiente del devanado primario al secundario, el transformador resonante también está diseñado para almacenar temporalmente energía eléctrica. Cada devanado tiene una capacitancia a través de él y funciona como un circuito LC (circuito resonante, circuito sintonizado ), almacenando energía eléctrica oscilante, de manera análoga a la forma en que un diapasón almacena energía mecánica vibratoria. La bobina primaria (L1) , que consta de relativamente pocas vueltas de cable o tubo de cobre pesado, está conectada a un condensador (C1) a través del espacio de chispa (SG) . ^{[7] [8]} La bobina secundaria (L2) consta de muchas vueltas (cientos a miles) de cable fino en una forma cilíndrica hueca dentro de la primaria. El secundario no está conectado a un capacitor real, pero también funciona como un circuito LC, la inductancia de (L2) resuena con la capacitancia parásita (C2) , la suma de la capacitancia parásita parásita entre los devanados de la bobina y la capacitancia del electrodo metálico toroidal conectado al terminal de alto voltaje. Los circuitos primario y secundario están sintonizados de modo que tengan la misma frecuencia de resonancia , ^[6] por lo que intercambian energía, actuando como un oscilador acoplado ; durante cada chispa, la energía almacenada oscila rápidamente de ida y vuelta entre el primario y el secundario.

El diseño peculiar de la bobina está dictado por la necesidad de lograr bajas pérdidas de energía resistiva (alto factor Q ) a altas frecuencias, ^[9] lo que da como resultado los voltajes secundarios más grandes:

• Los transformadores de potencia comunes tienen un núcleo de hierro para aumentar el acoplamiento magnético entre las bobinas. Sin embargo, a altas frecuencias, un núcleo de hierro provoca pérdidas de energía debido a corrientes parásitas e histéresis , por lo que no se utiliza en la bobina de Tesla. ^[15]
• Los transformadores ordinarios están diseñados para estar "acoplados firmemente". Tanto el primario como el secundario están enrollados firmemente alrededor del núcleo de hierro. Debido al núcleo de hierro y la proximidad de los devanados, tienen una alta inductancia mutua (M) , el coeficiente de acoplamiento es cercano a la unidad 0,95 - 1,0, lo que significa que casi todo el campo magnético del devanado primario pasa a través del secundario. ^{[13] [15]} El transformador Tesla en contraste está "acoplado débilmente", ^{[7] [15]} el devanado primario tiene un diámetro mayor y está espaciado del secundario, ^[8] por lo que la inductancia mutua es menor y el coeficiente de acoplamiento es solo de 0,05 a 0,2. ^{[16] [9]} Esto significa que solo del 5% al ​​20% del campo magnético de la bobina primaria pasa a través del secundario cuando está en circuito abierto. ^{[7] [12]} El acoplamiento flexible ralentiza el intercambio de energía entre las bobinas primaria y secundaria, lo que permite que la energía oscilante permanezca en el circuito secundario durante más tiempo antes de regresar al primario y comenzar a disiparse en la chispa.
• Cada bobinado también está limitado a una sola capa de alambre, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad . El primario transporta corrientes muy altas. Dado que la corriente de alta frecuencia fluye principalmente en la superficie de los conductores debido al efecto pelicular , a menudo está hecho de tubos o tiras de cobre con una gran superficie para reducir la resistencia, y sus espiras están espaciadas, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad y la formación de arcos eléctricos entre espiras. ^{[17] [18]}

El circuito de salida puede tener dos formas:

• Unipolar : un extremo del devanado secundario está conectado a un solo terminal de alto voltaje y el otro extremo está conectado a tierra . Este tipo se utiliza en bobinas modernas diseñadas para entretenimiento. El devanado primario está ubicado cerca del extremo inferior y de bajo potencial del secundario, para minimizar los arcos entre los devanados. Dado que la tierra (tierra) sirve como ruta de retorno para el alto voltaje, los arcos eléctricos del terminal tienden a saltar a cualquier objeto conectado a tierra cercano.
• Bipolar : ninguno de los extremos del devanado secundario está conectado a tierra y ambos se conectan a terminales de alto voltaje. El devanado primario se ubica en el centro de la bobina secundaria, equidistante entre los dos terminales de alto potencial, para evitar la formación de arcos eléctricos.

Ciclo de operación

El circuito funciona en un ciclo que se repite rápidamente en el que el transformador de suministro (T) carga el capacitor primario (C1) , que luego se descarga en una chispa a través del espacio entre chispas, creando un breve pulso de corriente oscilante en el circuito primario que excita un alto voltaje oscilante a través del secundario: ^{[10] [12] [15] [19]}

1. La corriente del transformador de alimentación (T) carga el condensador (C1) a un alto voltaje.
2. Cuando el voltaje a través del capacitor alcanza el voltaje de ruptura del espacio entre chispas (SG) , se inicia una chispa, lo que reduce la resistencia del espacio entre chispas a un valor muy bajo. Esto completa el circuito primario y la corriente del capacitor fluye a través de la bobina primaria (L1) . La corriente fluye rápidamente de ida y vuelta entre las placas del capacitor a través de la bobina, lo que genera una corriente oscilante de radiofrecuencia en el circuito primario a la frecuencia de resonancia del circuito .
3. El campo magnético oscilante del devanado primario induce una corriente oscilante en el devanado secundario (L2) , por la ley de inducción de Faraday . A lo largo de una serie de ciclos, la energía del circuito primario se transfiere al secundario. La energía total en los circuitos sintonizados se limita a la energía almacenada originalmente en el condensador C1 , de modo que a medida que el voltaje oscilante en el secundario aumenta en amplitud ("ring up"), las oscilaciones en el primario disminuyen a cero. Aunque los extremos de la bobina secundaria están abiertos, también actúa como un circuito sintonizado debido a la capacitancia (C2) , la suma de la capacitancia parásita entre las espiras de la bobina más la capacitancia del electrodo toroidal E. La corriente fluye rápidamente de ida y vuelta a través de la bobina secundaria entre sus extremos. Debido a la pequeña capacitancia, el voltaje oscilante a través de la bobina secundaria que aparece en el terminal de salida es mucho mayor que el voltaje primario.
4. La corriente secundaria crea un campo magnético que induce voltaje en la bobina primaria y, a lo largo de varios ciclos adicionales, la energía se transfiere nuevamente a la bobina primaria, lo que hace que el voltaje oscilante en la bobina secundaria disminuya ("reducción de la tensión"). Este proceso se repite y la energía se desplaza rápidamente de un lado a otro entre los circuitos sintonizados primario y secundario. Las corrientes oscilantes en la bobina primaria y secundaria se extinguen gradualmente debido a la energía disipada en forma de calor en el espacio de chispa y la resistencia de la bobina.
5. Cuando la corriente que pasa por el espacio de chispa ya no es suficiente para mantener ionizado el aire que hay en el espacio, la chispa se detiene ("se apaga"), terminando así la corriente en el circuito primario. La corriente oscilante en el secundario puede continuar durante algún tiempo.
6. La corriente del transformador de alimentación comienza a cargar nuevamente el condensador C1 y el ciclo se repite.

Todo este ciclo se desarrolla muy rápidamente, y las oscilaciones se extinguen en un tiempo del orden de un milisegundo. Cada chispa que atraviesa el espacio entre chispas produce un pulso de alto voltaje sinusoidal amortiguado en el terminal de salida de la bobina. Cada pulso se extingue antes de que se produzca la siguiente chispa, por lo que la bobina genera una cadena de ondas amortiguadas , no un voltaje sinusoidal continuo. ^[10] El alto voltaje del transformador de alimentación que carga el condensador es una onda sinusoidal de 50 o 60 Hz . Dependiendo de cómo se configure el espacio entre chispas, normalmente se producen una o dos chispas en el pico de cada semiciclo de la corriente de red, por lo que hay más de cien chispas por segundo. Por lo tanto, la chispa en el espacio entre chispas parece continua, al igual que las corrientes de alto voltaje de la parte superior de la bobina.

El devanado secundario del transformador de alimentación (T) está conectado a través del circuito primario sintonizado. Podría parecer que el transformador sería una vía de fuga para la corriente de RF, amortiguando las oscilaciones. Sin embargo, su gran inductancia le da una impedancia muy alta en la frecuencia de resonancia, por lo que actúa como un circuito abierto para la corriente oscilante. Si el transformador de alimentación tiene una inductancia de cortocircuito inadecuada, se colocan estranguladores de radiofrecuencia en sus conductores secundarios para bloquear la corriente de RF.

Frecuencia de oscilación

Para producir el mayor voltaje de salida, los circuitos sintonizados primario y secundario se ajustan para que resuenen entre sí. ^{[9] [10] [13]} Las frecuencias resonantes de los circuitos primario y secundario, y , están determinadas por la inductancia y la capacitancia en cada circuito: ^{[9] [10] [13]} ${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$ ${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$

${\displaystyle f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Generalmente el secundario no es ajustable, por lo que el circuito primario se sintoniza, generalmente mediante una toma móvil en la bobina primaria L ₁ , hasta que resuene a la misma frecuencia que el secundario:

${\displaystyle f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Por lo tanto la condición para la resonancia entre primario y secundario es:

${\displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\,}$

La frecuencia de resonancia de las bobinas de Tesla está en el rango de baja frecuencia de radio (RF), generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. Sin embargo, debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, producen ruido de radio de banda ancha y, sin protección, pueden ser una fuente importante de RFI , interfiriendo con la recepción de radio y televisión cercana.

Voltaje de salida

Bobina grande que produce arcos eléctricos de 3,5 metros (10 pies), lo que indica un potencial de millones de voltios.

En un transformador resonante, el alto voltaje se produce por resonancia; el voltaje de salida no es proporcional a la relación de vueltas, como en un transformador ordinario. ^{[15] [20]} Se puede calcular aproximadamente a partir de la conservación de la energía . Al comienzo del ciclo, cuando comienza la chispa, toda la energía en el circuito primario se almacena en el condensador primario . Si es el voltaje en el que se rompe el espacio de chispa, que generalmente está cerca del voltaje de salida pico del transformador de alimentación T , esta energía es ${\displaystyle W_{1}}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle V_{1}}$

${\displaystyle W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,}$

Durante la "activación", esta energía se transfiere al circuito secundario. Aunque una parte se pierde en forma de calor en la chispa y otras resistencias, en las bobinas modernas, más del 85% de la energía termina en el secundario. ^[10] En el pico ( ) de la forma de onda de voltaje sinusoidal secundario, toda la energía en el secundario se almacena en la capacitancia entre los extremos de la bobina secundaria. ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle W_{2}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

${\displaystyle W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,}$

Suponiendo que no hay pérdidas de energía, . Sustituyendo en esta ecuación y simplificando, el voltaje secundario pico es ^{[9] [10] [15]} ${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$

${\displaystyle V_{2}=V_{1}{\sqrt {C_{1} \over C_{2}}}=V_{1}{\sqrt {L_{2} \over L_{1}}}.}$

La segunda fórmula anterior se deriva de la primera utilizando la condición de resonancia . ^[15] Dado que la capacitancia de la bobina secundaria es muy pequeña en comparación con el capacitor primario, el voltaje primario se eleva a un valor alto. ^[10] ${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$

El voltaje pico anterior solo se logra en bobinas en las que no se producen descargas de aire; en bobinas que producen chispas, como las bobinas de entretenimiento, el voltaje pico en el terminal está limitado al voltaje en el que el aire se descompone y se vuelve conductor. ^{[10] [15] [17]} A medida que el voltaje de salida aumenta durante cada pulso de voltaje, alcanza el punto donde el aire junto al terminal de alto voltaje se ioniza y la corona , las descargas de escobilla y los arcos eléctricos estallan desde el terminal. Esto sucede cuando la intensidad del campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica del aire, aproximadamente 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico es mayor en los puntos y bordes afilados, las descargas de aire comienzan en estos puntos en el terminal de alto voltaje. El voltaje en el terminal de alto voltaje no puede aumentar por encima del voltaje de ruptura del aire, porque la carga eléctrica adicional bombeada al terminal desde el devanado secundario simplemente escapa al aire. El voltaje de salida de las bobinas de Tesla al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aire, ^[6] pero se pueden lograr voltajes más altos con bobinas sumergidas en tanques presurizados de aceite aislante .

Electrodo de carga superior o "toroide"

Bobina Tesla DRSSTC de estado sólido con cable puntiagudo conectado al toroide para producir descarga de escobilla

La mayoría de los diseños de bobinas de Tesla tienen un electrodo metálico liso de forma esférica o toroidal en el terminal de alto voltaje. El electrodo sirve como una placa de un condensador , con la Tierra como la otra placa, formando el circuito sintonizado con el devanado secundario. Aunque el "toroide" aumenta la capacitancia secundaria, lo que tiende a reducir el voltaje pico, su principal efecto es que su superficie curva de gran diámetro reduce el gradiente de potencial ( campo eléctrico ) en el terminal de alto voltaje; funciona de manera similar a un anillo de corona , aumentando el umbral de voltaje en el que se producen descargas de aire como las descargas de corona y de escobilla. ^[21] La supresión de la ruptura prematura del aire y la pérdida de energía permite que el voltaje se acumule a valores más altos en los picos de la forma de onda, creando serpentinas más largas y espectaculares cuando finalmente se producen las descargas de aire. ^[15]

Si el electrodo superior es lo suficientemente grande y liso, el campo eléctrico en su superficie puede no llegar nunca a ser lo suficientemente alto, incluso en el voltaje pico, como para provocar una ruptura del aire, y no se producirán descargas de aire. Algunas bobinas de entretenimiento tienen un "punto de chispa" afilado que sobresale del toro para iniciar las descargas. ^[21]

Tipos

El término "bobina de Tesla" se aplica a varios circuitos de transformadores resonantes de alto voltaje.

Excitación

Los circuitos de bobina de Tesla se pueden clasificar según el tipo de "excitación" que utilizan, qué tipo de circuito se utiliza para aplicar corriente al devanado primario del transformador resonante: ^{[6] [22] [23]}

• Bobina de Tesla excitada por chispa o por descarga de chispa (SGTC) : este tipo utiliza una descarga de chispa para cerrar el circuito primario, lo que provoca oscilaciones en el transformador resonante. Las descargas de chispa tienen desventajas debido a las altas corrientes primarias que deben manejar. Producen un ruido muy fuerte durante su funcionamiento, gases de ozono nocivos y altas temperaturas que pueden requerir un sistema de refrigeración. La energía disipada en la chispa también reduce el factor Q y el voltaje de salida. Todas las bobinas de Tesla estaban excitadas por chispa.
  • Descargador de chispas estático : este es el tipo más común, que se describió en detalle en la sección anterior. Se utiliza en la mayoría de las bobinas de entretenimiento. Un voltaje de CA de un transformador de suministro de alto voltaje carga un capacitor, que se descarga a través del descargador de chispas. La tasa de chispas no es ajustable, sino que está determinada por la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. Pueden ocurrir múltiples chispas en cada semiciclo, por lo que los pulsos de voltaje de salida pueden no estar espaciados de manera uniforme.
  • Chispa de descarga estática : los circuitos comerciales e industriales a menudo aplican un voltaje de CC desde una fuente de alimentación para cargar el capacitor y usan pulsos de alto voltaje generados por un oscilador aplicado a un electrodo de descarga para disparar la chispa. ^{[7] [23]} Esto permite controlar la velocidad de la chispa y el voltaje de excitación. Las chispas de descarga comerciales a menudo están encerradas en una atmósfera de gas aislante como hexafluoruro de azufre , lo que reduce la longitud y, por lo tanto, la pérdida de energía en la chispa.
  • Chispa rotatoria : Utilizan una chispa que consiste en electrodos alrededor de la periferia de una rueda rotada a alta velocidad por un motor, que crean chispas cuando pasan por un electrodo estacionario. ^[23] Tesla utilizó este tipo en sus grandes bobinas, y se utilizan hoy en día en grandes bobinas de entretenimiento. La rápida velocidad de separación de los electrodos apaga la chispa rápidamente, lo que permite la extinción de "primera muesca", lo que hace posible voltajes más altos. La rueda generalmente es impulsada por un motor síncrono , por lo que las chispas están sincronizadas con la frecuencia de la línea de CA, y la chispa se produce en el mismo punto en la forma de onda de CA en cada ciclo, por lo que los pulsos primarios son repetibles.
• Bobina Tesla de estado sólido o conmutada (SSTC) : utiliza dispositivos semiconductores de potencia , generalmente tiristores o transistores como MOSFET o IGBT , ^[7] activados por un circuito oscilador de estado sólido para conmutar pulsos de voltaje de una fuente de alimentación de CC a través del devanado primario. ^[23] Proporcionan excitación pulsada sin las desventajas de un espacio de chispa: el ruido fuerte, las altas temperaturas y la baja eficiencia. El voltaje, la frecuencia y la forma de onda de excitación se pueden controlar con precisión. Las SSTC se utilizan en la mayoría de las aplicaciones comerciales, industriales y de investigación ^[7], así como en bobinas de entretenimiento de mayor calidad.
  • Bobina Tesla de estado sólido resonante simple (SRSSTC) : en este circuito, el primario no tiene un condensador resonante y, por lo tanto, no es un circuito doblemente sintonizado; solo lo es el secundario. La corriente que llega al primario desde los transistores de conmutación excita la resonancia en el circuito sintonizado secundario. Los SSTC de estado sólido sintonizados simples son más simples, pero el circuito resonante simple generalmente tiene un factor Q más bajo y, por lo tanto, almacena menos energía y produce voltajes más bajos que los circuitos doblemente resonantes, en igualdad de condiciones.
  • Bobina Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC) : el circuito es similar al circuito de excitación por chispa doblemente sintonizada, excepto que en lugar del transformador de suministro de CA ( T ) en el circuito primario, una fuente de alimentación de CC carga el capacitor y, en lugar del espacio de chispa, los interruptores semiconductores completan el circuito entre el capacitor y la bobina primaria.

Tema de Star Wars interpretado en una bobina de Tesla, Central eléctrica de Niagara Parks , 2024

• • Bobina de Tesla cantante o bobina de Tesla musical : No se trata de un tipo de excitación independiente, sino de una modificación del circuito primario de estado sólido para crear una bobina de Tesla que se pueda tocar como un instrumento musical, con sus descargas de alto voltaje que reproducen tonos musicales simples. Los pulsos de voltaje de excitación aplicados al primario se modulan a una velocidad de audio mediante un circuito "interruptor" de estado sólido, lo que hace que la descarga de arco del terminal de alto voltaje emita sonidos. Hasta ahora solo se han producido tonos y acordes simples; la bobina no puede funcionar como un altavoz , reproduciendo música compleja o sonidos de voz. La salida de sonido se controla mediante un teclado o un archivo MIDI aplicado al circuito a través de una interfaz MIDI . Se han utilizadodos técnicas de modulación : AM ( modulación de amplitud del voltaje de excitación) y PFM ( modulación de frecuencia de pulso ). Estas se construyen principalmente como novedades para el entretenimiento.
• Onda continua : En estos, el transformador es accionado por un oscilador de retroalimentación , que aplica un pulso de corriente al devanado primario en cada ciclo de la corriente de RF, excitando una oscilación continua. ^[23] El circuito sintonizado primario sirve como circuito tanque del oscilador, y el circuito se asemeja a un transmisor de radio . A diferencia de los circuitos anteriores que generan una salida pulsada, generan una salida de onda sinusoidal continua . Los tubos de vacío de potencia se utilizan a menudo como dispositivos activos en lugar de transistores porque son más robustos y tolerantes a las sobrecargas. En general, la excitación continua produce voltajes de salida más bajos a partir de una potencia de entrada dada que la excitación pulsada. ^[23]

Número de bobinas

Los circuitos Tesla también se pueden clasificar según la cantidad de bobinas resonantes ( inductores ) que contienen: ^{[24] [25]}

• Circuitos de dos bobinas o doblemente resonantes : Prácticamente todas las bobinas de Tesla actuales utilizan el transformador resonante de dos bobinas , formado por un devanado primario al que se aplican pulsos de corriente, y un devanado secundario que produce el alto voltaje, inventado por Tesla en 1891. El término "bobina de Tesla" normalmente se refiere a estos circuitos.
• Circuitos de tres bobinas , triple resonancia o amplificadores : Son circuitos con tres bobinas, basados ​​en el circuito "transmisor amplificador" de Tesla con el que comenzó a experimentar en algún momento antes de 1898 e instalado en su laboratorio de Colorado Springs entre 1899 y 1900, y patentado en 1902. ^{[26] [27] [28]} Consisten en un transformador elevador de núcleo de aire de dos bobinas similar al transformador de Tesla, con el secundario conectado a una tercera bobina no acoplada magnéticamente a las otras, llamada bobina "extra" o "resonadora", que se alimenta en serie y resuena con su propia capacitancia. La salida se toma del extremo libre de esta bobina. La presencia de tres circuitos tanque de almacenamiento de energía le da a este circuito un comportamiento resonante más complicado. ^[29] Es objeto de investigación, pero se ha utilizado en pocas aplicaciones prácticas.

Historia

Los circuitos de oscilación eléctrica y transformadores resonantes con núcleo de aire habían sido explorados antes de Tesla. ^{[37] [36]} Los circuitos resonantes que utilizan frascos de Leyden fueron inventados a partir de 1826 por Felix Savary , Joseph Henry , William Thomson y Oliver Lodge . ^[38] y Henry Rowland construyó un transformador resonante en 1889. ^[31] Elihu Thomson inventó el circuito de bobina de Tesla de forma independiente al mismo tiempo que Tesla. ^{[39] [40] [41] [30]} Tesla patentó su circuito de bobina de Tesla el 25 de abril de 1891. ^{[42] [43]} y lo demostró públicamente por primera vez el 20 de mayo de 1891, en su conferencia " Experimentos con corrientes alternas de muy alta frecuencia y su aplicación a métodos de iluminación artificial " ante el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en el Columbia College , Nueva York. ^{[44] [45] [34]} Aunque Tesla patentó muchos circuitos similares durante este período, este fue el primero que contenía todos los elementos de la bobina de Tesla: transformador primario de alto voltaje, condensador, espacio de chispa y "transformador de oscilación" con núcleo de aire.

Las bobinas de Tesla modernas

Descarga eléctrica que muestra filamentos de plasma similares a rayos de una 'bobina de Tesla'

Bobina de Tesla (descarga)

Bobina de Tesla en terrario (I)

Los entusiastas modernos de alto voltaje suelen construir bobinas Tesla similares a algunos de los diseños de núcleo de aire de 2 bobinas "posteriores" de Tesla. Estos suelen constar de un circuito tanque primario , un circuito LC ( inductancia - capacidad ) en serie compuesto por un condensador de alto voltaje , un espacio de chispa y una bobina primaria ; y el circuito LC secundario, un circuito resonante en serie que consta de la bobina secundaria más una capacitancia terminal o "carga superior". En el diseño más avanzado de Tesla (lupa), se agrega una tercera bobina. El circuito LC secundario está compuesto por una bobina secundaria de transformador de núcleo de aire acoplada firmemente que impulsa la parte inferior de un resonador helicoidal de tercera bobina independiente. Los sistemas modernos de 2 bobinas utilizan una sola bobina secundaria. La parte superior de la secundaria se conecta luego a un terminal de carga superior, que forma una "placa" de un condensador , siendo la otra "placa" la tierra (o " tierra "). El circuito LC primario está sintonizado de modo que resuene a la misma frecuencia que el circuito LC secundario. Las bobinas primaria y secundaria están acopladas magnéticamente, creando un transformador de núcleo de aire resonante de doble sintonización. Las primeras bobinas Tesla aisladas con aceite necesitaban aisladores grandes y largos en sus terminales de alto voltaje para evitar la descarga en el aire. Las bobinas Tesla posteriores extendieron sus campos eléctricos a distancias mayores para evitar altas tensiones eléctricas en primer lugar, lo que permitió el funcionamiento en aire libre. La mayoría de las bobinas Tesla modernas también utilizan terminales de salida con forma de toroide. Estos suelen estar fabricados con metal hilado o conductos de aluminio flexibles. La forma toroidal ayuda a controlar el alto campo eléctrico cerca de la parte superior del secundario al dirigir las chispas hacia afuera y lejos de los devanados primario y secundario.

Una versión más compleja de una bobina de Tesla, llamada "magnificador" por Tesla, utiliza un transformador "controlador" de resonancia de núcleo de aire acoplado de forma más estrecha (u "oscilador maestro") y una bobina de salida más pequeña y ubicada en un lugar remoto (llamada "bobina adicional" o simplemente resonador ) que tiene una gran cantidad de vueltas en una forma de bobina relativamente pequeña. La parte inferior del devanado secundario del controlador está conectada a tierra. El extremo opuesto está conectado a la parte inferior de la bobina adicional a través de un conductor aislado que a veces se denomina línea de transmisión. Como la línea de transmisión opera a voltajes de RF relativamente altos, generalmente está hecha de tubos de metal de 1" de diámetro para reducir las pérdidas por efecto corona. Como la tercera bobina está ubicada a cierta distancia del controlador, no está acoplada magnéticamente a él. En cambio, la energía de RF se acopla directamente desde la salida del controlador a la parte inferior de la tercera bobina, lo que hace que "suene" a voltajes muy altos. La combinación del controlador de dos bobinas y el resonador de la tercera bobina agrega otro grado de libertad al sistema, lo que hace que la sintonización sea considerablemente más compleja que la de un sistema de 2 bobinas. La respuesta transitoria para redes de resonancia múltiple (de las cuales el amplificador Tesla es un subconjunto) se ha resuelto recientemente. ^[46] Ahora se sabe que hay una variedad de "modos" de sintonización útiles disponibles, y en la mayoría de los modos de funcionamiento, la bobina adicional sonará a una frecuencia diferente a la del oscilador maestro. ^[47]

Conmutación primaria

Demostración del prototipo a escala 1:12 de bobina de Tesla doble del Laboratorio de Relámpagos de Nevada en la Maker Faire 2008

Las bobinas Tesla modernas de transistores o tubos de vacío no utilizan un descargador de chispa primario. En su lugar, el transistor o los transistores o los tubos de vacío proporcionan la función de conmutación o amplificación necesaria para generar energía de RF para el circuito primario. Las bobinas Tesla de estado sólido utilizan el voltaje operativo primario más bajo, normalmente entre 155 y 800 voltios, y accionan el devanado primario utilizando una disposición de transistores , MOSFET o IGBT de puente simple, medio puente o puente completo para conmutar la corriente primaria. Las bobinas de tubos de vacío normalmente funcionan con voltajes de placa entre 1500 y 6000 voltios, mientras que la mayoría de las bobinas de descargador de chispa funcionan con voltajes primarios de 6000 a 25 000 voltios. El devanado primario de una bobina Tesla de transistor tradicional se enrolla solo alrededor de la parte inferior de la bobina secundaria. Esta configuración ilustra el funcionamiento del secundario como un resonador bombeado. El primario "induce" un voltaje alterno en la parte más baja del secundario, lo que genera "empujones" regulares (similares a los que se dan a un columpio en el patio de recreo cuando se dan empujones en el momento adecuado). Durante cada "empuje", se transfiere energía adicional desde la inductancia primaria a la secundaria y a la capacitancia de carga superior, y se genera un voltaje de salida secundario (lo que se denomina "reinicio"). Por lo general, se utiliza un circuito de retroalimentación electrónico para sincronizar de manera adaptativa el oscilador primario con la resonancia creciente en el secundario, y esta es la única consideración de ajuste más allá de la elección inicial de una carga superior razonable.

En una bobina Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC), la conmutación electrónica de la bobina Tesla de estado sólido se combina con el circuito primario resonante de una bobina Tesla de descarga de chispas. El circuito primario resonante se forma conectando un condensador en serie con el devanado primario de la bobina, de modo que la combinación forme un circuito tanque en serie con una frecuencia resonante cercana a la del circuito secundario. Debido al circuito resonante adicional, se necesita un ajuste manual y uno adaptativo. Además, generalmente se utiliza un interruptor para reducir el ciclo de trabajo del puente de conmutación, para mejorar las capacidades de potencia pico; de manera similar, los IGBT son más populares en esta aplicación que los transistores de unión bipolar o MOSFET, debido a sus características superiores de manejo de potencia. Generalmente se utiliza un circuito limitador de corriente para limitar la corriente máxima del tanque primario (que debe ser conmutada por los IGBT) a un nivel seguro. El rendimiento de un DRSSTC puede ser comparable al de una bobina Tesla de chispa de potencia media, y la eficiencia (medida por la longitud de la chispa en función de la potencia de entrada) puede ser significativamente mayor que la de una bobina Tesla de chispa que funciona con la misma potencia de entrada.

Aspectos prácticos del diseño

Producción de alto voltaje

Esquemas de bobinas de Tesla

Una bobina Tesla grande de diseño más moderno suele funcionar a niveles de potencia pico muy altos, de hasta muchos megavatios (millones de vatios , equivalentes a miles de caballos de fuerza ). Por lo tanto, se ajusta y se opera con cuidado, no solo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a un ajuste incorrecto, el punto de voltaje máximo se produce por debajo del terminal, a lo largo de la bobina secundaria, puede estallar una descarga ( chispa ) y dañar o destruir el cable de la bobina, los soportes u objetos cercanos.

Tesla experimentó con estas y muchas otras configuraciones de circuitos (ver a la derecha). El devanado primario de la bobina de Tesla, el descargador de chispas y el condensador de tanque están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de suministro de CA carga el condensador de tanque hasta que su voltaje es suficiente para romper el descargador de chispas. El descargador de chispas se activa de repente, lo que permite que el condensador de tanque cargado se descargue en el devanado primario. Una vez que el descargador de chispas se activa, el comportamiento eléctrico de ambos circuitos es idéntico. Los experimentos han demostrado que ninguno de los circuitos ofrece una ventaja de rendimiento notable sobre el otro.

Sin embargo, en el circuito típico, la acción de cortocircuito del espacio de chispa evita que las oscilaciones de alta frecuencia "retrocedan" hacia el transformador de alimentación. En el circuito alternativo, las oscilaciones de alta frecuencia y alta amplitud que aparecen a través del condensador también se aplican al devanado del transformador de alimentación. Esto puede inducir descargas de corona entre espiras que debilitan y finalmente destruyen el aislamiento del transformador. Los constructores de bobinas de Tesla experimentados utilizan casi exclusivamente el circuito superior, a menudo ampliándolo con filtros de paso bajo (redes de resistencia y condensador (RC)) entre el transformador de alimentación y el espacio de chispa para ayudar a proteger el transformador de alimentación. Esto es especialmente importante cuando se utilizan transformadores con devanados de alto voltaje frágiles, como los transformadores de letreros de neón (NST). Independientemente de la configuración que se utilice, el transformador de alta tensión debe ser de un tipo que autolimite su corriente secundaria por medio de una inductancia de cortocircuito interna . Un transformador de alto voltaje normal (baja inductancia de cortocircuito) debe utilizar un limitador externo (a veces llamado balasto) para limitar la corriente. Los NST están diseñados para tener una alta inductancia de cortocircuito para limitar su corriente de cortocircuito a un nivel seguro.

Sintonización

La frecuencia de resonancia de la bobina primaria se ajusta a la de la secundaria mediante oscilaciones de baja potencia, para luego aumentar la potencia (y resintonizar si es necesario) hasta que el sistema funcione correctamente a máxima potencia. Durante la sintonización, a menudo se agrega una pequeña proyección (llamada "protuberancia de ruptura") al terminal superior para estimular descargas de corona y chispas (a veces llamadas serpentinas) en el aire circundante. Luego, la sintonización se puede ajustar para lograr las serpentinas más largas a un nivel de potencia determinado, correspondiente a una coincidencia de frecuencia entre la bobina primaria y secundaria. La "carga" capacitiva de las serpentinas tiende a reducir la frecuencia de resonancia de una bobina Tesla que funciona a plena potencia. A menudo se prefiere una carga superior toroidal a otras formas, como una esfera. Un toroide con un diámetro principal que es mucho más grande que el diámetro secundario proporciona una mejor conformación del campo eléctrico en la carga superior. Esto proporciona una mejor protección del devanado secundario (contra los impactos dañinos de las serpentinas) que una esfera de diámetro similar. Además, un toroide permite un control bastante independiente de la capacitancia de carga superior frente al voltaje de arranque de chispa. La capacitancia de un toroide es principalmente una función de su diámetro mayor, mientras que el voltaje de arranque de chispa es principalmente una función de su diámetro menor. A veces se utiliza un oscilador de inmersión de rejilla (GDO) para facilitar la sintonización inicial y ayudar en el diseño. La frecuencia de resonancia del secundario puede ser difícil de determinar excepto mediante el uso de un GDO u otro método experimental, mientras que las propiedades físicas del primario representan más de cerca aproximaciones totales del diseño de tanques de RF. En este esquema, el secundario se construye de forma algo arbitraria a imitación de otros diseños exitosos, o completamente así con suministros a mano, se mide su frecuencia de resonancia y se diseña el primario para que se adapte.

Descargas de aire

Una pequeña bobina de Tesla de tipo posterior en funcionamiento: la salida produce chispas de 43 centímetros (17 pulgadas). El diámetro del secundario es de 8 cm (3,1 pulgadas). La fuente de alimentación es una fuente de alimentación limitada por corriente de 10 000 V y 60 Hz .

En las bobinas que producen descargas de aire, como las construidas para el entretenimiento, la energía eléctrica del secundario y del toroide se transfiere al aire circundante en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. El proceso es similar a cargar o descargar un condensador , excepto que una bobina de Tesla utiliza CA en lugar de CC. La corriente que surge de las cargas cambiantes dentro de un condensador se llama corriente de desplazamiento . Las descargas de la bobina de Tesla se forman como resultado de las corrientes de desplazamiento a medida que los pulsos de carga eléctrica se transfieren rápidamente entre el toroide de alto voltaje y las regiones cercanas dentro del aire (llamadas regiones de carga espacial ). Aunque las regiones de carga espacial alrededor del toroide son invisibles, juegan un papel importante en la apariencia y la ubicación de las descargas de la bobina de Tesla.

Cuando se activa el chispazo, el condensador cargado se descarga en el devanado primario, lo que hace que el circuito primario oscile. La corriente primaria oscilante crea un campo magnético oscilante que se acopla al devanado secundario, transfiriendo energía al lado secundario del transformador y haciendo que oscile con la capacitancia del toroide a tierra. La transferencia de energía se produce a lo largo de varios ciclos, hasta que la mayor parte de la energía que originalmente estaba en el lado primario se transfiere al lado secundario. Cuanto mayor sea el acoplamiento magnético entre los devanados, menor será el tiempo necesario para completar la transferencia de energía. A medida que se acumula energía dentro del circuito secundario oscilante, la amplitud del voltaje de RF del toroide aumenta rápidamente y el aire que rodea al toroide comienza a sufrir una ruptura dieléctrica , lo que forma una descarga de corona.

A medida que la energía de la bobina secundaria (y el voltaje de salida) continúan aumentando, los pulsos más grandes de corriente de desplazamiento ionizan y calientan aún más el aire en el punto de ruptura inicial. Esto forma una "raíz" muy conductora de electricidad de plasma más caliente , llamada líder , que se proyecta hacia afuera desde el toroide. El plasma dentro del líder es considerablemente más caliente que una descarga de corona y es considerablemente más conductor. De hecho, sus propiedades son similares a un arco eléctrico . El líder se estrecha y se ramifica en miles de descargas más delgadas, más frías y similares a cabellos (llamadas serpentinas). Las serpentinas parecen una "bruma" azulada en los extremos de los líderes más luminosos. Las serpentinas transfieren carga entre los líderes y el toroide a las regiones de carga espacial cercanas. Las corrientes de desplazamiento de innumerables serpentinas alimentan al líder, lo que ayuda a mantenerlo caliente y eléctricamente conductor.

La velocidad de ruptura primaria de las bobinas Tesla de chispa es lenta en comparación con la frecuencia resonante del conjunto de carga superior del resonador. Cuando el interruptor se cierra, la energía se transfiere del circuito LC primario al resonador, donde el voltaje aumenta durante un corto período de tiempo hasta culminar en la descarga eléctrica. En una bobina Tesla de chispa, el proceso de transferencia de energía primaria a secundaria ocurre repetitivamente a velocidades de pulso típicas de 50 a 500 veces por segundo, según la frecuencia del voltaje de la línea de entrada. A estas velocidades, los canales líderes formados previamente no tienen la oportunidad de enfriarse por completo entre pulsos. Por lo tanto, en pulsos sucesivos, las descargas más nuevas pueden construirse sobre las vías calientes dejadas por sus predecesoras. Esto provoca un crecimiento incremental del líder de un pulso al siguiente, alargando toda la descarga en cada pulso sucesivo. Los pulsos repetitivos hacen que las descargas crezcan hasta que la energía promedio disponible de la bobina Tesla durante cada pulso equilibra la energía promedio que se pierde en las descargas (principalmente en forma de calor). En este punto, se alcanza el equilibrio dinámico y las descargas han alcanzado su longitud máxima para el nivel de potencia de salida de la bobina de Tesla. La combinación única de una envolvente de radiofrecuencia de alto voltaje ascendente y pulsos repetitivos parece ser ideal para crear descargas largas y ramificadas que son considerablemente más largas de lo que se esperaría de otra manera considerando solo el voltaje de salida. Las descargas de alto voltaje y baja energía crean descargas filamentosas multiramificadas que son de color azul violáceo. Las descargas de alto voltaje y alta energía crean descargas más espesas con menos ramificaciones, son pálidas y luminosas, casi blancas, y son mucho más largas que las descargas de baja energía, debido al aumento de la ionización. Se producirá un fuerte olor a ozono y óxidos de nitrógeno en el área. Los factores importantes para la longitud máxima de descarga parecen ser el voltaje, la energía y el aire en calma con una humedad baja a moderada. Hay comparativamente pocos estudios científicos sobre el inicio y el crecimiento de descargas de RF pulsadas de baja frecuencia, por lo que algunos aspectos de las descargas de aire de la bobina de Tesla no se comprenden tan bien en comparación con las descargas de CC, CA de frecuencia industrial, impulsos de alta tensión y rayos.

Aplicaciones

Hoy en día, aunque las pequeñas bobinas de Tesla se utilizan como detectores de fugas en sistemas científicos de alto vacío ^[5] y encendedores en soldadores de arco , ^[48] su uso principal es el entretenimiento y las exhibiciones educativas.

Educación y entretenimiento

Escultura de Electrum , la bobina de Tesla más grande del mundo. Se ve al constructor Eric Orr sentado dentro del electrodo esférico hueco de alto voltaje.

Las bobinas de Tesla se exhiben como atracciones en museos de ciencias y ferias de electrónica, y se utilizan para demostrar los principios de la electricidad de alta frecuencia en clases de ciencias en escuelas y universidades. ^[49]

Las bobinas de Tesla son un proyecto popular para ferias de ciencias entre estudiantes , ya que son fabricadas en casa por una gran comunidad mundial de aficionados. Los constructores de bobinas de Tesla como pasatiempo se denominan "coilers" (enrolladores). Asisten a convenciones de "bobinadores" donde muestran sus bobinas de Tesla y otros dispositivos de alto voltaje fabricados en casa. Las bobinas de Tesla de baja potencia también se utilizan a veces como fuente de alto voltaje para la fotografía Kirlian .

La bobina de Tesla más grande del mundo actual es una unidad de 130.000 vatios construida por Greg Leyh y Eric Orr , parte de una escultura de 38 pies de altura (12 m) titulada Electrum , propiedad de Alan Gibbs y que actualmente se encuentra en un parque de esculturas privado en Kakanui Point cerca de Auckland , Nueva Zelanda. ^{[50] [51]} Otra bobina de Tesla muy grande, diseñada y construida por Syd Klinge, se muestra cada año en el Festival de Música y Artes de Coachella Valley en Coachella, California. ^{[ cita requerida ]}

Las bobinas de Tesla también se pueden utilizar para generar sonidos, incluida la música, modulando la "tasa de ruptura" efectiva del sistema (es decir, la tasa y la duración de las ráfagas de RF de alta potencia) a través de datos MIDI y una unidad de control. Los datos MIDI reales son interpretados por un microcontrolador que convierte los datos MIDI en una salida PWM que se puede enviar a la bobina de Tesla a través de una interfaz de fibra óptica. Un extenso concierto musical al aire libre ha demostrado el uso de bobinas de Tesla durante la jornada de puertas abiertas de ingeniería (EOH) en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . La artista islandesa Björk utilizó una bobina de Tesla en su canción "Thunderbolt" como el instrumento principal de la canción. El grupo musical ArcAttack utiliza bobinas de Tesla moduladas y un hombre con un traje de malla para tocar música.

Detectores de fugas en sistemas de vacío

Los científicos que trabajan con sistemas de alto vacío comprueban la presencia de pequeños orificios en el aparato (especialmente en una pieza de vidrio recién soplada) mediante descargas de alto voltaje producidas por una pequeña bobina Tesla portátil. Cuando se vacía el sistema, el electrodo de alto voltaje de la bobina se coloca sobre el exterior del aparato. A bajas presiones, el aire se ioniza más fácilmente y, por lo tanto, conduce mejor la electricidad que el aire a presión atmosférica. Por lo tanto, la descarga viaja a través de cualquier orificio que se encuentre inmediatamente debajo, lo que produce una descarga de corona dentro del espacio evacuado que ilumina el orificio e indica los puntos que deben recocerse o volver a soplarse antes de que se puedan utilizar en un experimento.

Teslaforesis

En 2016, los científicos de la Universidad Rice utilizaron el campo de una bobina de Tesla para alinear de forma remota diminutos nanotubos de carbono en un circuito, un proceso que denominaron "teslaforesis". ^{[52] [53]}

Problemas de salud

Niño permitiendo que el arco de la bobina de Tesla golpee su mano.

Las descargas de radiofrecuencia (RF) de alto voltaje de la terminal de salida de una bobina Tesla plantean un peligro único que no se encuentra en otros equipos de alto voltaje: cuando pasan a través del cuerpo, a menudo no causan la sensación dolorosa y la contracción muscular de la descarga eléctrica , como lo hacen las corrientes de CA o CC de frecuencia más baja. ^{[54] [9] [55] [56]} El sistema nervioso es insensible a las corrientes con frecuencias superiores a 10-20 kHz. ^[57] Se cree que la razón de esto es que un cierto número mínimo de iones debe ser impulsado a través de la membrana de una célula nerviosa por el voltaje impuesto para provocar que la célula nerviosa se despolarice y transmita un impulso. En las frecuencias de radio, no hay tiempo suficiente durante un semiciclo para que suficientes iones crucen la membrana antes de que el voltaje alterno se invierta. ^[57] El peligro es que, dado que no se siente dolor, los experimentadores a menudo asumen que las corrientes son inofensivas. Los maestros y aficionados que demuestran pequeñas bobinas de Tesla a menudo impresionan a su audiencia tocando el terminal de alto voltaje o permitiendo que los arcos eléctricos pasen a través de su cuerpo. ^{[58] [59] [9]}

Si los arcos de la terminal de alto voltaje golpean la piel desnuda, pueden causar quemaduras profundas llamadas quemaduras por RF . ^{[60] [61]} Esto a menudo se evita permitiendo que los arcos golpeen un trozo de metal sostenido en la mano, o un dedal en un dedo, en su lugar. La corriente pasa del metal a la mano de la persona a través de un área de superficie lo suficientemente amplia como para evitar causar quemaduras. ^[9] A menudo no se siente ninguna sensación, o solo un calor u hormigueo.

Sin embargo, esto no significa que la corriente sea inofensiva. ^[62] Incluso una pequeña bobina de Tesla produce muchas veces la energía eléctrica necesaria para detener el corazón, si la frecuencia es lo suficientemente baja como para causar fibrilación ventricular . ^{[63] [64]} Un pequeño desajuste de la bobina podría provocar una electrocución . Además, la corriente de RF calienta los tejidos por los que pasa. Las corrientes de bobina de Tesla cuidadosamente controladas, aplicadas directamente a la piel mediante electrodos, se utilizaron a principios del siglo XX para el calentamiento profundo de los tejidos corporales en el campo médico de la diatermia de onda larga . ^[55] La cantidad de calentamiento depende de la densidad de corriente, que depende de la potencia de salida de la bobina de Tesla y del área de la sección transversal del camino que toma la corriente a través del cuerpo hasta tierra. ^[56] En particular, si pasa a través de estructuras estrechas como vasos sanguíneos o articulaciones, puede elevar la temperatura del tejido local a niveles hipertérmicos , "cocinando" órganos internos o causando otras lesiones. Las normas de seguridad internacionales de la ICNIRP para la corriente de radiofrecuencia en el cuerpo en el rango de frecuencia de la bobina Tesla de 0,1 a 1 MHz especifican una densidad de corriente máxima de 0,2 mA por centímetro cuadrado y una tasa de absorción de potencia (SAR) máxima en el tejido de 4 W/kg en las extremidades y 0,8 W/kg de media en el cuerpo. ^[65] Incluso las bobinas Tesla de baja potencia podrían superar estos límites y, por lo general, es imposible determinar la corriente umbral en la que comienza la lesión corporal. Es probable que ser alcanzado por los arcos de una bobina Tesla de alta potencia (> 1000 vatios) sea mortal.

Otro riesgo reportado de esta práctica es que los arcos del terminal de alto voltaje a menudo golpean el devanado primario de la bobina. ^{[54] [62]} Esto crea momentáneamente una ruta conductora para que la corriente primaria letal de 50 o 60 Hz del transformador de suministro llegue al terminal de salida. Si una persona está conectada al terminal de salida en ese momento, ya sea tocándolo o permitiendo que los arcos del terminal golpeen el cuerpo de la persona, entonces la alta corriente primaria podría pasar a través de la ruta de aire ionizado conductor, a través del cuerpo hasta tierra, causando electrocución.

El mito del efecto piel

Una explicación errónea de la ausencia de descargas eléctricas que ha persistido entre los aficionados a las bobinas de Tesla es que las corrientes de alta frecuencia viajan a través del cuerpo cerca de la superficie y, por lo tanto, no penetran en los órganos vitales o los nervios, debido a un fenómeno electromagnético llamado efecto piel . ^{[63] [9] [66] [67]}

Esta teoría es falsa. ^{[68] [69] [70] [54] [64] [71]} La corriente de RF tiende a fluir en la superficie de los conductores debido al efecto pelicular, pero la profundidad a la que penetra, llamada profundidad pelicular , depende de la resistividad y permeabilidad del material, así como de la frecuencia . ^{[72] [73]} Aunque el efecto pelicular limita las corrientes de frecuencias de bobina de Tesla a la fracción exterior de un milímetro en conductores metálicos, la profundidad pelicular de la corriente en el tejido corporal es mucho más profunda debido a su mayor resistividad. La profundidad de penetración de corrientes de frecuencia Tesla (0,1 – 1 MHz) en tejidos humanos es de aproximadamente 24–72 centímetros (9–28 pulgadas). ^{[73] [72] [54]} Dado que incluso los tejidos más profundos están más cerca que esto de la superficie, el efecto pelicular tiene poca influencia en la trayectoria de la corriente a través del cuerpo; ^[71] tiende a tomar la trayectoria de mínima impedancia eléctrica a tierra, y puede pasar fácilmente a través del núcleo del cuerpo. ^{[74] [54] [73]} En la terapia médica llamada diatermia de onda larga , se utilizó durante décadas una corriente de RF cuidadosamente controlada de frecuencias Tesla para calentar tejidos profundos, incluido el calentamiento de órganos internos como los pulmones. ^{[74] [55]} Las máquinas modernas de diatermia de onda corta utilizan una frecuencia más alta de 27 MHz, que tendría una profundidad de piel correspondientemente menor, pero estas frecuencias aún pueden penetrar los tejidos corporales profundos. ^[69]

Patentes relacionadas

Las patentes de Tesla

• " Transformador eléctrico o dispositivo de inducción ". Patente estadounidense n.° 433.702, 5 de agosto de 1890 ^[75]
• " Medios para generar corrientes eléctricas ", patente estadounidense n.º 514.168, 6 de febrero de 1894
• " Transformador eléctrico ", patente n.º 593.138, 2 de noviembre de 1897
• " Método de utilización de energía radiante ", patente n.º 685.958, 5 de noviembre de 1901
• " Método de señalización ", patente estadounidense n.º 723.188, 17 de marzo de 1903
• " Sistema de señalización ", patente estadounidense n.º 725.605, 14 de abril de 1903
• "Aparato para transmitir energía eléctrica", 18 de enero de 1902, patente estadounidense 1.119.732 , 1 de diciembre de 1914

Patentes de otros

• JS Stone, patente estadounidense 714.832 , " Aparato para amplificar ondas de señales electromagnéticas ". (Presentada el 23 de enero de 1901; expedida el 2 de diciembre de 1902)
• A. Nickle, patente estadounidense 2.125.804 , " Antena ". (Presentada el 25 de mayo de 1934; expedida el 2 de agosto de 1938)
• William W. Brown, patente estadounidense 2.059.186 , " Estructura de antena ". (Presentada el 25 de mayo de 1934; expedida el 27 de octubre de 1936).
• Robert B. Dome, patente estadounidense 2.101.674 , " Antena ". (Presentada el 25 de mayo de 1934; expedida el 7 de diciembre de 1937)
• Armstrong, EH, patente estadounidense 1.113.149 , " Sistema de recepción inalámbrica ". 1914.
• Armstrong, EH, patente estadounidense 1.342.885 , " Método de recepción de oscilaciones de alta frecuencia ". 1922.
• Armstrong, EH, patente estadounidense 1.424.065 , " Sistema de señalización ". 1922.
• Gerhard Freiherr Du Prel, patente estadounidense 1.675.882 , " Circuito de alta frecuencia ". (Presentada el 11 de agosto de 1925; expedida el 3 de julio de 1928)
• Leydorf, GF, patente estadounidense 3.278.937 , " Sistema de acoplamiento de campo cercano de antena ". 1966.
• Van Voorhies, patente estadounidense 6.218.998 , " Antena helicoidal toroidal "
• Gene Koonce, patente estadounidense 6.933.819 , " Generador de campo electromagnético multifrecuencia ". (Presentada el 29 de octubre de 2004; expedida el 23 de agosto de 2005)

Véase también

• Jaula de Faraday
• Henry Leroy Transtrom  – Inventor estadounidense Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa, inventor y showman que trabajó con electricidad de alto voltaje.
• Lista de patentes de Nikola Tesla
• Bobina de Oudin  : circuito transformador resonante, inventado en 1893 por Paul Marie Oudin
• Generador Van de Graaff
• Transferencia de energía inalámbrica  : transmisión eléctrica sin conexión física

Referencias

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Lectura adicional

Operación y otra información

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• Haller, GF y Cunningham, ET (1910). La bobina de alta frecuencia de Tesla, su construcción y usos . Nueva York: D. Van Nostrand Co.
• Iannini, RE (2003). Aparatos electrónicos para el genio malvado: 21 proyectos que puedes construir tú mismo . TAB electronics. Nueva York: McGraw-Hill. Páginas 137–202.
• Corum, Kenneth L. y James F. " Las bobinas de Tesla y el fracaso de la teoría de circuitos de elementos concentrados "
• Nicholson, Paul, " Tesla Secondary Simulation Project " (Estado actual del arte en la descripción rigurosa del comportamiento secundario de la bobina de Tesla a través del análisis teórico, simulación y prueba de resultados en la práctica)
• Vujovic, Ljubo, " Bobina de Tesla ". Sociedad Tesla Memorial de Nueva York.
• Hickman, Bert, " Centro de información sobre bobinas de Tesla "
• Cooper, John. F., " Diagrama de circuito de tipo antiguo del transmisor de aumento; diagrama de circuito de tipo posterior ". Tesla-Coil.com

Mundo Eléctrico

• "El desarrollo de corrientes de alta frecuencia para aplicaciones prácticas". El mundo eléctrico . Vol. 32, núm. 8.
• "Espacio sin límites: una barra colectora". El mundo eléctrico . Vol. 32, núm. 19.

Otras publicaciones

• Cullen, AL; Dobson, J. (1963). "La ruptura de la corona de las antenas en el aire a bajas presiones". Actas de la Royal Society de Londres. Serie A, Ciencias matemáticas y físicas . 271 (1347): 551–564. Bibcode :1963RSPSA.271..551C. doi :10.1098/rspa.1963.0035. S2CID  109593995.
• Bieniosek, FM (1990). " Circuito transformador de pulso de resonancia triple ". Review of Scientific Instruments . 61 (6): 1717–1719. Bibcode :1990RScI...61.1717B. doi :10.1063/1.1141138.
• Corum, JF y KL Corum, " Bobinas de RF, resonadores helicoidales y ampliación de voltaje por modos espaciales coherentes ". IEEE, 2001.
• de Queiroz, Antonio Carlos M., " Síntesis de Redes de Resonancia Múltiple ". Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil. EE/COPE.
• Haller, George Francis y Elmer Tiling Cunningham, " La bobina de alta frecuencia de Tesla, su construcción y usos ". Nueva York, D. Van Nostrand Company, 1910.
• Hartley, RVL (1936). "Oscilaciones con reactancias no lineales". Bell System Technical Journal . 15 (3): 424–440. doi :10.1002/j.1538-7305.1936.tb03559.x.
• Norrie, HS, " Bobinas de inducción: cómo fabricarlas, usarlas y repararlas ". Norman H. Schneider, 1907, Nueva York. Cuarta edición.
• Reed, JL (1988). "Mayor ganancia de voltaje para aceleradores de transformadores Tesla". Review of Scientific Instruments . 59 (10): 2300. Bibcode :1988RScI...59.2300R. doi :10.1063/1.1139953.
• Reed, JL (2012). "Amortiguación del transformador Tesla". Revista de instrumentos científicos . 83 (7): 076101–076101–3. Bibcode :2012RScI...83g6101R. doi :10.1063/1.4732811. PMID  22852736.
• Reed, JL (2015). "Transformador Tesla acoplado a conducción". Revista de instrumentos científicos . 86 (3): 035113. Bibcode :2015RScI...86c5113R. doi : 10.1063/1.4915940 . PMID  25832281.
• Reed, JL, "Ajuste del transformador de pulso Tesla de triple resonancia"
• Curtis, Thomas Stanley, Aparato de alta frecuencia: su construcción y aplicación práctica . Everyday Mechanics Co., 1916.
• Numerosas publicaciones académicas del IEEE [1]

Enlaces externos

• Bobina de Tesla en Curlie