bobina de Tesla

Circuito transformador resonante eléctrico inventado por Nikola Tesla

Una bobina de Tesla es un circuito transformador eléctrico resonante 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 bobina de Tesla se utilizaron comercialmente en transmisores de radio de chispa para telegrafía inalámbrica hasta la década de 1920, ^{[1] [4]} y en equipos médicos como electroterapia y dispositivos de rayos violetas . Hoy en día, su uso principal es para entretenimiento y exhibiciones educativas, aunque todavía se utilizan pequeñas bobinas como detectores de fugas para sistemas de alto vacío. ^{[5] [6]}

Originalmente, las bobinas de Tesla utilizaban explosores fijos o explosores giratorios 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 las descargas del cepillo del toroide. El alto campo eléctrico hace que el aire alrededor del terminal de alto voltaje se ionice y conduzca electricidad, permitiendo que la electricidad se filtre al aire en coloridas descargas de corona , descargas de cepillo y arcos de serpentinas . Las bobinas de Tesla se utilizan para entretenimiento en museos de ciencia y eventos públicos, y para efectos especiales en películas y televisión.

Circuito de bobina unipolar de Tesla. C2 no es un capacitor real pero 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 una descarga de chispas simple para excitar oscilaciones en el transformador sintonizado. Los diseños más sofisticados utilizan interruptores de transistores o tiristores ^[7] u osciladores electrónicos de tubos de vacío para accionar el transformador resonante.

Las bobinas de Tesla pueden producir voltajes de salida desde 50  kilovoltios hasta varios millones de voltios para bobinas grandes. ^{[7] [9] [11]} La salida de corriente alterna se encuentra en el rango de baja frecuencia de radio , generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. ^{[9] [11]} Aunque algunas bobinas impulsadas por osciladores 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 de bobina Tesla común excitado por chispa, que se muestra a continuación, consta de estos componentes: ^{[8] [12]}

• Un transformador de suministro de alto voltaje (T) , para aumentar el voltaje de la red de CA hasta un voltaje lo suficientemente alto como para saltar la vía de chispas. 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 vía de chispas (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 un alto voltaje de salida.
• Opcionalmente, un electrodo capacitivo (carga superior) (E) en forma de esfera metálica lisa o toro unido 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 la bobina de Tesla (L1, L2) , llamado transformador resonante , transformador de oscilación o transformador de radiofrecuencia (RF), funciona de manera diferente a los transformadores comunes utilizados en los circuitos de alimentación de CA. ^{[13] [14] [15]} Mientras que un transformador ordinario está diseñado para transferir energía de manera eficiente desde el 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 alambre o tubo de cobre pesado, está conectada a un condensador (C1) a través del explosor (SG) . ^{[7] [8]} La bobina secundaria (L2) consta de muchas vueltas (de cientos a miles) de alambre 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 entre los devanados de la bobina y la capacitancia. del electrodo metálico toroidal unido al terminal de alto voltaje. Los circuitos primario y secundario están sintonizados para 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 hacia adelante y hacia atrás entre la primaria y la secundaria.

El peculiar diseño de la bobina viene dictado por la necesidad de conseguir bajas pérdidas de energía resistiva (alto factor Q ) a altas frecuencias, ^[9] lo que da lugar a las mayores tensiones secundarias:

• 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 "estrechamente acoplados". 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, por el contrario, está "débilmente acoplado", ^{[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 sólo de 0,05 a 0,2. ^{[16] [9]} Esto significa que sólo del 5% al ​​20% del campo magnético de la bobina primaria pasa a través de la secundaria cuando está en circuito abierto. ^{[7] [12]} El acoplamiento flojo ralentiza el intercambio de energía entre las bobinas primaria y secundaria, lo que permite que la energía oscilante permanezca en el circuito secundario por más tiempo antes de regresar al primario y comenzar a disiparse en la chispa.
• Cada devanado 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 sobre la superficie de los conductores debido al efecto superficial , a menudo está hecha 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 entre ellos. vueltas. ^{[17] [18]}

El circuito de salida puede tener dos formas:

• Unipolar : un extremo del devanado secundario está conectado a un único 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, de bajo potencial, del secundario, para minimizar los arcos entre los devanados. Dado que la tierra sirve como camino de retorno para el alto voltaje, los arcos lineales del terminal tienden a saltar a cualquier objeto cercano conectado a tierra.
• Bipolar : Ninguno de los extremos del devanado secundario está conectado a tierra y ambos llegan a terminales de alto voltaje. El devanado primario está ubicado en el centro de la bobina secundaria, equidistante entre los dos terminales de alto potencial, para evitar la formación de arcos.

Ciclo de operación

El circuito opera en un ciclo que se repite rápidamente en el cual el transformador de suministro (T) carga el capacitor primario (C1) , que luego se descarga en una chispa a través del espacio de chispa, 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 suministro (T) carga el condensador (C1) a un voltaje alto.
2. Cuando el voltaje a través del capacitor alcanza el voltaje de ruptura del explosor (SG) , se inicia una chispa, lo que reduce la resistencia del explosor 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 hacia adelante y hacia atrás entre las placas del capacitor a través de la bobina, generando 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 varios ciclos, la energía del circuito primario se transfiere al secundario. La energía total en los circuitos sintonizados se limita a la energía originalmente almacenada en el condensador C1 , de modo que a medida que el voltaje oscilante en el secundario aumenta en amplitud ("suena"), 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 hacia adelante y hacia atrás 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 nuevamente en la bobina primaria y, durante varios ciclos adicionales, la energía se transfiere nuevamente a la primaria, lo que hace que el voltaje oscilante en la secundaria disminuya ("anillo hacia abajo"). Este proceso se repite y la energía cambia rápidamente de un lado a otro entre los circuitos sintonizados primario y secundario. Las corrientes oscilantes en el primario y el secundario se extinguen gradualmente debido a la energía disipada en forma de calor en la vía de chispa y la resistencia de la bobina.
5. Cuando la corriente a través del explosor ya no es suficiente para mantener ionizado el aire en el entrehierro, la chispa se detiene ("se apaga"), terminando la corriente en el circuito primario. La corriente oscilante en el secundario puede continuar durante algún tiempo.
6. La corriente del transformador de suministro comienza a cargar el condensador C1 nuevamente y el ciclo se repite.

Todo este ciclo se desarrolla muy rápidamente y las oscilaciones desaparecen en un tiempo del orden de un milisegundo. Cada chispa a través del explosor produce un pulso de alto voltaje sinusoidal amortiguado en el terminal de salida de la bobina. Cada pulso se apaga 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 suministro que carga el capacitor es una onda sinusoidal de 50 o 60 Hz . Dependiendo de cómo se ajuste la distancia entre chispas, normalmente se producen una o dos chispas en el pico de cada medio ciclo de la corriente de red, por lo que hay más de cien chispas por segundo. Así, la chispa en el explosor parece continua, al igual que las serpentinas de alto voltaje que salen de la parte superior de la bobina.

El devanado secundario del transformador de suministro (T) está conectado a través del circuito sintonizado primario. Podría parecer que el transformador sería una vía de fuga para la corriente de RF, amortiguando las oscilaciones. Sin embargo, su gran inductancia le confiere una impedancia muy alta a la frecuencia de resonancia, por lo que actúa como un circuito abierto a la corriente oscilante. Si el transformador de suministro tiene una inductancia de cortocircuito inadecuada, se colocan inductores de radiofrecuencia en sus cables 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 de resonancia de los circuitos primario y secundario, y , están determinadas por la inductancia y 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 derivación móvil en la bobina primaria L ₁ , hasta que resuena 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 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 se encuentra 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 cercanas.

Tensión de salida

Bobina grande que produce arcos serpenteantes 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 del circuito primario se almacena en el condensador primario . Si es el voltaje al que se rompe la vía de chispas, que generalmente está cerca del voltaje máximo de salida del transformador de suministro 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 el "anillo", esta energía se transfiere al circuito secundario. Aunque 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 secundaria, 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 haya 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 la del capacitor primario, el voltaje primario aumenta a un valor alto. ^[10] ${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$

El pico de tensión anterior sólo se alcanza en bobinas en las que no se producen descargas de aire; En las bobinas que producen chispas, como las bobinas de entretenimiento, el voltaje máximo en el terminal se limita al voltaje al 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, llega al punto donde el aire al lado del terminal de alto voltaje se ioniza y la corona , las descargas de cepillo y los arcos serpentinas se desprenden del terminal. Esto sucede cuando la intensidad del campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire, unos 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico es mayor en los puntos y bordes afilados, en estos puntos del terminal de alta tensión comienzan las descargas de aire. 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 se escapa al aire. El voltaje de salida de las bobinas Tesla al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios por ruptura del aire, ^[6] pero se pueden lograr voltajes más altos mediante bobinas sumergidas en tanques presurizados de aceite aislante .

Electrodo de carga superior o "toroide"

Bobina Tesla DRSSTC de estado sólido con cable puntiagudo unido a un toroide para producir una descarga de cepillo

La mayoría de los diseños de bobinas de Tesla tienen un electrodo metálico liso, esférico o toroidal , en el terminal de alto voltaje. El electrodo sirve como una placa de un capacitor , 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 efecto principal 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 las descargas de aire, como las descargas de corona y de cepillo. ^[21] La supresión de la descomposición prematura del aire y la pérdida de energía permite que el voltaje alcance 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, es posible que el campo eléctrico en su superficie nunca sea lo suficientemente alto, incluso en el voltaje máximo, como para causar la ruptura del aire, y no se producirán descargas de aire. Algunas bobinas de entretenimiento tienen un "punto de chispa" afilado que se proyecta desde el 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 por 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 Tesla excitada por chispa o chispa (SGTC) : este tipo utiliza una chispa para cerrar el circuito primario, excitando oscilaciones en el transformador resonante. Los explosores tienen desventajas debido a las altas corrientes primarias que deben manejar. Producen un ruido muy fuerte durante el funcionamiento, gas ozono nocivo 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 chispas.
  • Explorador 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 explosor. La velocidad de chispa no es ajustable, pero está determinada por la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. Pueden ocurrir múltiples chispas en cada medio ciclo, por lo que los pulsos de voltaje de salida pueden no estar igualmente espaciados.
  • Descargador de chispas disparado estáticamente : los circuitos comerciales e industriales a menudo aplican un voltaje de CC de una fuente de alimentación para cargar el capacitor y usan pulsos de alto voltaje generados por un oscilador aplicado a un electrodo disparador para disparar la chispa. ^{[7] [23]} Esto permite controlar la velocidad de chispa y el voltaje de excitación. Los explosores comerciales suelen estar encerrados en una atmósfera de gas aislante como el hexafluoruro de azufre , lo que reduce la longitud y, por tanto, la pérdida de energía en la chispa.
  • Descargador de chispas rotativo : utilizan un descargador de chispas que consta de electrodos alrededor de la periferia de una rueda que hace girar a alta velocidad mediante un motor, que crean chispas cuando pasan por un electrodo estacionario. ^[23] Tesla usó este tipo en sus grandes bobinas, y se usan hoy en grandes bobinas de entretenimiento. La rápida velocidad de separación de los electrodos apaga la chispa rápidamente, lo que permite un apagado de "primera muesca", lo que hace posibles voltajes más altos. La rueda suele ser impulsada por un motor síncrono , por lo que las chispas están sincronizadas con la frecuencia de la línea de CA; la chispa ocurre en el mismo punto de la forma de onda de CA en cada ciclo, por lo que los pulsos primarios son repetibles.
• Bobina Tesla conmutada o de estado sólido (SSTC) : utilizan 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 una descarga de chispas: ruido fuerte, altas temperaturas y baja eficiencia. El voltaje, la frecuencia y la forma de onda de excitación se pueden controlar con precisión. Los 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 de doble sintonización; solo lo es el secundario. La corriente al primario procedente de los transistores de conmutación excita la resonancia en el circuito sintonizado secundario. Los SSTC de sintonización única son más simples, pero el circuito resonante tiene un factor Q total que depende únicamente del lado resonante secundario.
  • Bobina Tesla de estado sólido resonante dual (DRSSTC) : el circuito es similar al circuito excitado por chispa de doble sintonización, 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 Los interruptores semiconductores de vía de chispas completan el circuito entre el condensador y la bobina primaria.
  • Bobina de Tesla cantante o bobina de Tesla musical : este no es un tipo separado de excitación, sino una modificación del circuito primario de estado sólido para crear una bobina de Tesla que se puede tocar como un instrumento musical, con sus descargas de alto voltaje reproduciendo tonos musicales simples. . Los pulsos de voltaje de accionamiento 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 sólo se han producido tonos y acordes simples; la bobina no puede funcionar como altavoz , reproduciendo música o sonidos de voz complejos. 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 ). Estos 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, estos 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 determinada que la excitación pulsada. ^[23]

Número de bobinas

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

• Circuitos de dos bobinas o de doble resonancia : Prácticamente todas las bobinas de Tesla actuales utilizan el transformador resonante de dos bobinas , que consta de 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 , de triple resonancia o de lupa : estos son circuitos con tres bobinas, basados ​​en el circuito del "transmisor de lupa" de Tesla con el que comenzó a experimentar en algún momento antes de 1898 e instaló en su laboratorio de Colorado Springs entre 1899 y 1900, y patentó en 1902. ^{[26] [27] [28]} Consisten en un transformador elevador de dos bobinas con núcleo de aire similar al transformador de Tesla, con el secundario conectado a una tercera bobina no acoplada magnéticamente a las demás, llamada "extra" o " Bobina "resonador", que está alimentada en serie y resuena con su propia capacitancia. La salida se toma del extremo libre de esta bobina. La presencia de tres circuitos de tanques 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 de núcleo de aire resonantes se habían explorado antes que Tesla. ^{[37] [36]} Los circuitos resonantes que utilizan jarras de Leyden fueron inventados a partir de 1826 por Felix Savary , Joseph Henry , William Thomson y Oliver Lodge . ^[38] y Henry Rowland construyeron un transformador resonante en 1889. ^[31] Elihu Thomson inventó el circuito de bobina de Tesla de forma independiente al mismo tiempo que lo hizo 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 del 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, descargador de chispas y "transformador de oscilación" con núcleo de aire. ".

Bobinas de Tesla modernas

Descarga eléctrica que muestra los filamentos de plasma parecidos a rayos de una "bobina de Tesla"

Bobina de Tesla (descarga)

Bobina de Tesla en terrario (I)

Los entusiastas modernos del alto voltaje suelen construir bobinas Tesla similares a algunos de los diseños "posteriores" de núcleo de aire de 2 bobinas de Tesla. Por lo general, constan de un circuito de tanque primario , un circuito LC ( inductancia - capacitancia ) en serie compuesto por un capacitor de alto voltaje , un descargador de chispas 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 (lupa) de Tesla, se agrega una tercera bobina. El circuito LC secundario está compuesto por una bobina secundaria de transformador con núcleo de aire estrechamente acoplada que acciona la parte inferior de un resonador helicoidal de tercera bobina independiente. Los sistemas modernos de 2 bobinas utilizan una única bobina secundaria. Luego, la parte superior del secundario se conecta 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 para 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. Posteriormente, las bobinas de Tesla extendieron sus campos eléctricos a mayores distancias para evitar tensiones eléctricas elevadas, permitiendo así el funcionamiento al aire libre. La mayoría de las bobinas Tesla modernas también utilizan terminales de salida en forma de toroide. A menudo se fabrican con conductos de metal hilado o de aluminio flexible. 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, denominada "lupa" por Tesla, utiliza un transformador "controlador" de resonancia de núcleo de aire más estrechamente acoplado (u "oscilador maestro") y una bobina de salida más pequeña y ubicada de forma remota (llamada "extra"). "bobina" o simplemente el resonador ) que tiene una gran cantidad de vueltas en una forma de bobina relativamente pequeña. La parte inferior del devanado secundario del conductor 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. Dado que la línea de transmisión opera a voltajes de RF relativamente altos, generalmente está hecha de un tubo metálico de 1" de diámetro para reducir las pérdidas por corona. Dado que la tercera bobina está ubicada a cierta distancia del controlador, no está acoplada magnéticamente a él. La energía de RF es en lugar de ello, 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, haciendo que la sintonización sea considerablemente más compleja que la de un sistema de 2 bobinas. La respuesta transitoria para múltiples redes de resonancia (de las cuales la lupa de Tesla es un subconjunto) se ha resuelto recientemente. ^[46] Ahora se sabe que una variedad de Hay disponibles "modos" de sintonización útiles 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 de bobina Tesla gemela a escala 1:12 del Nevada Lightning Laboratory en Maker Faire 2008

Las modernas bobinas Tesla de transistores o tubos de vacío no utilizan un explosor primario. En cambio, los transistores o 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 de funcionamiento primario más bajo, generalmente entre 155 y 800 voltios, y accionan el devanado primario utilizando una disposición de transistores , MOSFET o IGBT simple , de medio puente o de puente completo para conmutar la corriente primaria. . Las bobinas de tubo de vacío normalmente funcionan con voltajes de placa de entre 1500 y 6000 voltios, mientras que la mayoría de las bobinas de vía de chispas funcionan con voltajes primarios de 6000 a 25000 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 resonador bombeado. El primario "induce" voltaje alterno en la parte más inferior del secundario, proporcionando "empujones" regulares (similar a proporcionar empujones en el momento adecuado a un columpio en el patio de recreo). Se transfiere energía adicional de la inductancia primaria a la secundaria y la capacitancia de carga superior durante cada "empuje", y el voltaje de salida secundario se acumula (llamado "anillo"). Generalmente se utiliza un circuito de retroalimentación electrónica para sincronizar de manera adaptativa el oscilador primario con la resonancia creciente en el secundario, y esta es la única consideración de sintonización más allá de la elección inicial de una carga superior razonable.

En una bobina de Tesla de estado sólido resonante dual (DRSSTC), la conmutación electrónica de la bobina de Tesla de estado sólido se combina con el circuito primario resonante de una bobina de Tesla de descargador 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 de resonancia cercana a la del circuito secundario. Debido al circuito resonante adicional, son necesarios un ajuste de sintonización manual y otro adaptativo. Además, normalmente se utiliza un interruptor para reducir el ciclo de trabajo del puente de conmutación y mejorar las capacidades de potencia máxima; 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 descargador de chispas de potencia media, y la eficiencia (medida por la longitud de la chispa versus la potencia de entrada) puede ser significativamente mayor que la de una bobina Tesla de descargador de chispas que funciona con la misma potencia de entrada.

Aspectos prácticos del diseño.

Producción de alto voltaje

Esquemas de la bobina de Tesla

Una gran bobina de Tesla de diseño más moderno suele funcionar a niveles de potencia máxima muy elevados, de hasta muchos megavatios (millones de vatios , equivalentes a miles de caballos de fuerza ). Por lo tanto, se ajusta y opera con cuidado, no sólo por razones de eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a una sintonización inadecuada, el punto de voltaje máximo ocurre debajo del terminal, a lo largo de la bobina secundaria, puede estallar una descarga ( chispa ) que dañe o destruya 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 Tesla, el explosor y el condensador del tanque están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de suministro de CA carga el condensador del tanque hasta que su voltaje es suficiente para romper la vía de chispas. La brecha se dispara repentinamente, permitiendo que el capacitor del tanque cargado se descargue en el devanado primario. Una vez que se activa la brecha, el comportamiento eléctrico de cualquiera de los circuitos es idéntico. Los experimentos han demostrado que ninguno de los circuitos ofrece ninguna ventaja de rendimiento marcada sobre el otro.

Sin embargo, en el circuito típico, la acción de cortocircuito del explosor evita que las oscilaciones de alta frecuencia "retrocedan" hacia el transformador de suministro. En el circuito alternativo, las oscilaciones de alta frecuencia y gran amplitud que aparecen a través del capacitor también se aplican al devanado del transformador de suministro. Esto puede inducir descargas de corona entre espiras que debilitan y eventualmente destruyen el aislamiento del transformador. Los constructores experimentados de bobinas Tesla utilizan casi exclusivamente el circuito superior, a menudo aumentándolo con filtros de paso bajo (redes de resistencia y condensador (RC)) entre el transformador de suministro y el explosor para ayudar a proteger el transformador de suministro. Esto es especialmente importante cuando se utilizan transformadores con devanados frágiles de alto voltaje, como los transformadores de señales 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 mediante una inductancia de cortocircuito interna . Un transformador de alto voltaje normal (baja inductancia de cortocircuito) debe usar 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.

Afinación

La frecuencia de resonancia de la bobina primaria se sintoniza con la de la secundaria, mediante el uso de oscilaciones de baja potencia, luego se aumenta la potencia (y se vuelve a sintonizar si es necesario) hasta que el sistema funcione correctamente a la máxima potencia. Mientras se sintoniza, a menudo se agrega una pequeña proyección (llamada "golpe 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 de Tesla que funciona a máxima potencia. A menudo se prefiere una carga superior toroidal a otras formas, como una esfera. Un toroide con un diámetro mayor que es mucho mayor que el diámetro secundario proporciona una mejor conformación del campo eléctrico en la carga superior. Esto proporciona una mejor protección del devanado secundario (contra golpes dañinos de serpentinas) que una esfera de diámetro similar. Y un toroide permite un control bastante independiente de la capacitancia de carga superior versus el 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 la chispa es principalmente una función de su diámetro menor. A veces se utiliza un oscilador de caída de red (GDO) para ayudar a 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 fielmente aproximaciones agrupadas del diseño del tanque de RF. En este esquema, el secundario se construye de manera un tanto arbitraria a imitación de otros diseños exitosos, o completamente con suministros disponibles, se mide su frecuencia de resonancia y el primario se diseña para adaptarse.

Descargas al aire

Una pequeña bobina 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 un suministro de corriente limitada de 10 000 V, 60 Hz .

En las bobinas que producen descargas de aire, como las construidas para 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 del cambio de cargas dentro de un capacitor se llama corriente de desplazamiento . Las descargas de las bobinas de Tesla se forman como resultado de 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, desempeñan un papel importante en la apariencia y ubicación de las descargas de la bobina de Tesla.

Cuando se dispara la vía de chispa, 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 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 , formando una descarga de corona.

A medida que la energía de la bobina secundaria (y el voltaje de salida) continúan aumentando, 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 en corona y es considerablemente más conductor. De hecho, sus propiedades son similares a las de un arco eléctrico . El líder se estrecha y se ramifica en miles de descargas más delgadas, más frías y parecidas a pelos (llamadas serpentinas). Las serpentinas parecen una "neblina" azulada en los extremos de los líderes más luminosos. Las serpentinas transfieren carga entre los líderes y el toroide a regiones de carga espacial cercanas. Las corrientes de desplazamiento de innumerables serpentinas alimentan el líder, ayudando a mantenerlo caliente y conductor de electricidad.

La tasa de rotura primaria de las bobinas de Tesla que generan chispas es lenta en comparación con la frecuencia de resonancia del conjunto de carga superior del resonador. Cuando el interruptor se cierra, la energía se transfiere desde el circuito LC primario al resonador, donde el voltaje aumenta durante un corto período de tiempo y culmina en la descarga eléctrica. En una bobina Tesla de descargador de chispas, el proceso de transferencia de energía primaria a secundaria ocurre repetidamente a velocidades de pulsación típicas de 50 a 500 veces por segundo, dependiendo de la frecuencia del voltaje de la línea de entrada. A estas velocidades, los canales líderes previamente formados no tienen la oportunidad de enfriarse por completo entre pulsos. Así, en pulsos sucesivos, nuevas descargas pueden aprovechar los caminos calientes dejados por sus predecesores. 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 de 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 alcanzan 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 pulsaciones repetitivas parece ser ideal para crear descargas ramificadas largas que son considerablemente más largas de lo que se esperaría de otro modo solo por consideraciones de voltaje de salida. Las descargas de alto voltaje y baja energía crean descargas filamentosas multiramificadas de color azul violáceo. Las descargas de alto voltaje y alta energía crean descargas más espesas con menos ramas, son pálidas y luminosas, casi blancas, y son mucho más largas que las descargas de baja energía, debido a una mayor ionización. En la zona se producirá un fuerte olor a ozono y óxidos de nitrógeno. Los factores importantes para la duración máxima de la 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 las 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 como 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 hueco y esférico 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]

Dado que son lo suficientemente simples como para que las fabrique un aficionado, las bobinas de Tesla son un proyecto popular en las ferias de ciencias para estudiantes y son hechas en casa por una gran comunidad mundial de aficionados. Los constructores de bobinas de Tesla como hobby se llaman "bobinadores". Asisten a convenciones de "bobinas" donde exhiben sus bobinas Tesla hechas en casa y otros dispositivos de alto voltaje. Las bobinas de Tesla de baja potencia también se utilizan a veces como fuente de alto voltaje para la fotografía Kirlian .

La bobina 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 reside 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 necesaria ]}

Las bobinas de Tesla también se pueden utilizar para generar sonidos, incluida la música, modulando la "tasa de interrupción" efectiva del sistema (es decir, la tasa y 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 los convierte en una salida PWM que puede enviarse a la bobina de Tesla a través de una interfaz de fibra óptica. Un extenso concierto musical al aire libre demostró el uso de bobinas de Tesla durante la jornada de puertas abiertas de ingeniería (EOH). en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign . La artista islandesa Björk utilizó una bobina de Tesla en su canción "Thunderbolt" como 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 prueban la presencia de pequeños agujeros en el aparato (especialmente en una pieza de cristal recién soplada) utilizando descargas de alto voltaje producidas por una pequeña bobina de Tesla portátil. Cuando se evacua el sistema, el electrodo de alto voltaje de la bobina pasa sobre el exterior del aparato. A bajas presiones, el aire se ioniza más fácilmente y, por tanto, conduce la electricidad mejor que el aire a presión atmosférica. Por lo tanto, la descarga viaja a través de cualquier orificio inmediatamente debajo de él, produciendo una descarga de corona dentro del espacio evacuado que ilumina el orificio, indicando puntos que deben recocerse o volverse a soplar antes de que puedan usarse en un experimento.

Teslaforesis

En 2016, científicos de la Universidad Rice utilizaron el campo de una bobina de Tesla para alinear de forma remota pequeños 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 la mano. el no siente dolor

Las descargas de radiofrecuencia (RF) de alto voltaje del terminal de salida de una bobina de 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 ni la contracción muscular de una descarga eléctrica. , como lo hacen las corrientes CA o CC de menor frecuencia. ^{[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 radiofrecuencias, no hay tiempo suficiente durante medio ciclo para que suficientes iones crucen la membrana antes de que se invierta el voltaje alterno. ^[57] El peligro es que, dado que no se siente dolor, los experimentadores a menudo asumen que las corrientes son inofensivas. Los profesores y aficionados que muestran pequeñas bobinas de Tesla a menudo impresionan a su audiencia tocando el terminal de alto voltaje o permitiendo que los arcos serpentinos pasen a través de su cuerpo. ^{[58] [59] [9]}

Si los arcos del 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 una pieza de metal sostenida en la mano o un dedal en un dedo. La corriente pasa del metal a la mano de la persona a través de una superficie lo suficientemente amplia como para evitar quemaduras. ^[9] A menudo no se siente ninguna sensación, o sólo 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 electrocución . Además, la corriente de RF calienta los tejidos por los que pasa. A principios del siglo XX se utilizaron corrientes de bobina de Tesla cuidadosamente controladas, aplicadas directamente a la piel mediante electrodos, para calentar tejidos corporales profundos 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 llegar a tierra. ^[56] Particularmente 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. Los estándares internacionales de seguridad ICNIRP para la corriente de RF 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 máxima de absorción de energía (SAR) en tejido de 4 W/kg en las extremidades. y 0,8 W/kg promedio en todo el cuerpo. ^[65] Incluso las bobinas de Tesla de baja potencia podrían exceder estos límites y, en general, es imposible determinar el umbral de corriente donde comienzan las lesiones corporales. Es probable que ser golpeado por arcos de una bobina Tesla de alta potencia (> 1000 vatios) sea fatal.

Otro peligro 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 letal corriente primaria de 50 o 60 Hz desde el 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 corriente primaria alta podría pasar a través de la ruta conductora del aire ionizado, a través del cuerpo hasta tierra, causando electrocución.

Mito del efecto piel

Una explicación errónea para 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 hasta los órganos vitales o los nervios, debido a un fenómeno electromagnético llamado piel. efecto . ^{[63] [9] [66] [67]}

Esta teoría es falsa. ^{[68] [69] [70] [54] [64] [71]} La corriente de RF tiende a fluir sobre la superficie de los conductores debido al efecto de la piel, pero la profundidad a la que penetra, llamada profundidad de la piel , depende de la resistividad. y la permeabilidad del material así como la frecuencia . ^{[72] [73]} Aunque el efecto piel limita las corrientes de las frecuencias de la bobina de Tesla a la fracción exterior de un milímetro en conductores metálicos, la profundidad de la piel de la corriente en el tejido corporal es mucho más profunda debido a su mayor resistividad. La profundidad de penetración de las corrientes de frecuencia Tesla (0,1 – 1 MHz) en los tejidos humanos es de aproximadamente 24 a 72 centímetros (9 a 28 pulgadas). ^{[73] [72] [54]} Dado que incluso los tejidos más profundos están más cerca de la superficie, el efecto de la piel tiene poca influencia en el camino de la corriente a través del cuerpo; ^[71] tiende a tomar el camino 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 , durante décadas se utilizó corriente de RF cuidadosamente controlada de frecuencias de Tesla para calentar tejidos profundos, incluido el calentamiento de órganos internos como los pulmones. ^{[74] [55]} Las modernas máquinas de diatermia de onda corta utilizan una frecuencia más alta de 27 MHz, lo 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 de EE.UU. nº 433.702, 5 de agosto de 1890 ^[75]
• " Medios para generar corrientes eléctricas ", patente estadounidense nº 514.168, 6 de febrero de 1894
• “ Transformador Eléctrico ”, Patente N° 593.138, 2 de noviembre de 1897
• " Método de utilización de energía radiante ", Patente No. 685.958 5 de noviembre de 1901
• " Método de Señalización ", Patente de EE.UU. nº 723.188, 17 de marzo de 1903
• " Sistema de Señalización ", Patente de EE.UU. nº 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; emitida el 2 de diciembre de 1902)
• A. Nickle, patente estadounidense 2.125.804 , " Antena ". (Presentada el 25 de mayo de 1934; emitida 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; emitida el 7 de diciembre de 1937)
• Armstrong, EH, patente estadounidense 1.113.149 , " Sistema de recepción inalámbrico ". 1914.
• Armstrong, EH, patente estadounidense 1.342.885 , " Método de recepción de oscilación 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; emitida 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; emitida el 23 de agosto de 2005)

Ver 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 Oudin  : circuito transformador resonante, inventado en 1893 por Paul Marie Oudin
• Generador Van de Graaff
• Transferencia de energía inalámbrica  : transmisión de energía eléctrica sin cables como enlace físico

Referencias

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Otras lecturas

Operación y otra información

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• Iannini, RE (2003). Aparatos electrónicos para el genio malvado: 21 proyectos que puedes construir tú mismo . Electrónica TAB. 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 agrupados "
• Nicholson, Paul, " Tesla Secondary Simulation Project " (Estado actual del arte en la descripción rigurosa del comportamiento secundario de la bobina de Tesla mediante análisis teórico, simulación y prueba de resultados en la práctica)
• Vujovic, Ljubo, " Bobina de Tesla ". Sociedad Conmemorativa de Tesla de Nueva York.
• Hickman, Bert, " Centro de información sobre bobinas de Tesla "
• Cooper, Juan. F., " Diagrama de circuito de tipo inicial 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 de autobús". El mundo eléctrico . vol. 32, núm. 19.

Otras publicaciones

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• Bieniosek, FM (1990). « Circuito Transformador de Pulsos de Triple Resonancia ». Revisión de Instrumentos Científicos . 61 (6): 1717-1719. Código bibliográfico : 1990RScI...61.1717B. doi : 10.1063/1.1141138.
• Corum, JF y KL Corum, " Bobinas de RF, resonadores helicoidales y ampliación de voltaje mediante 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, empresa D. Van Nostrand, 1910.
• Hartley, RVL (1936). "Oscilaciones con Reactancias No Lineales". Revista técnica del sistema Bell . 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. 4ta edición.
• Caña, JL (1988). "Mayor ganancia de voltaje para los aceleradores de transformadores Tesla". Revisión de Instrumentos Científicos . 59 (10): 2300. Código bibliográfico : 1988RScI...59.2300R. doi :10.1063/1.1139953.
• Caña, JL (2012). "Amortiguación del transformador Tesla". Revisión de Instrumentos Científicos . 83 (7): 076101–076101–3. Código Bib : 2012RScI...83g6101R. doi : 10.1063/1.4732811. PMID  22852736.
• Caña, JL (2015). "Transformador Tesla acoplado a conducción". Revisión de Instrumentos Científicos . 86 (3): 035113. Código bibliográfico : 2015RScI...86c5113R. doi : 10.1063/1.4915940 . PMID  25832281.
• Reed, JL, "Ajustando el transformador de pulsos de Tesla de triple resonancia"
• Curtis, Thomas Stanley, Aparato de alta frecuencia: su construcción y aplicación práctica . Mecánica Cotidiana Co., 1916.
• numerosas publicaciones académicas del IEEE [1]

enlaces externos

• Bobina de Tesla en Curlie