NIKOLA TESLA Y ALBERT EINSTEIN

Sobre la electrodinámica de la bobina de Tesla y Albert Einstein

Introducción

Se explican algunos antecedentes en la teoría del

electromagnetismo que motivaron a Einstein a desarrollar su

Teoría de la Relatividad. Se demuestran experimentos basados

en la teoría electromagnética culminada por Maxwell poco

antes del nacimiento de Einstein.

Einstein y la Bobina de Tesla

Albert Einstein es conocido universalmente por su Teoría de la Relatividad. Aunque parezca

extraño, el artículo en que presentó esta teoría al mundo no contiene en el título la palabra

relatividad, sino que se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento".

Fueron las leyes del electromagnetismo las que llevaron a Einstein a formular su famosa

teoría.

Figura 1. El movimiento relativo del conductor y la brújula determina el campo magnético detectado.

Einstein razonó más o menos así. Supongamos que tenemos un alambre conductor cargado,

cuyas cargas están en reposo respecto a nosotros. Entonces mediremos un campo eléctrico.

Si las cargas se mueven hacia la derecha respecto a nosotros, entonces con una brújula

podemos detectar un campo magnético. Con un aparato un poco más sofisticado podemos

medir además de la dirección, la intensidad del campo magnético. Este campo magnético es

producido por el movimiento de las cargas eléctricas y no existe en el caso de que el alambre

esté en reposo. ¿Qué ocurre si en vez de moverse el alambre, nos movemos con la brújula

hacia la izquierda? ¿Detectaremos un campo magnético? La respuesta es sí, pues la

existencia de un campo magnético depende del movimiento relativo de las cargas eléctricas

respecto al aparato de medición, denominado genéricamente observador. Einstein desarrolló

la idea, que parece obvia, de que las leyes de la Física son exactamente las mismas para

todos los observadores. En nuestro caso esto significa que el observador que se mueve con

rapidez v hacia la izquierda del alambre cargado detecta y mide el mismo campo magnético

que un observador inmóvil enfrentado al conductor que se mueve hacia la derecha con

rapidez.

En otras palabras, sólo depende del movimiento relativo del observador y el conductor, y

esto es la esencia del principio de la relatividad. Desarrollando matemáticamente esta idea

Einstein obtuvo relaciones matemáticas entre las intensidades del campo eléctrico y el

campo magnético medidas por los dos observadores. Una de las consecuencias de las

ecuaciones anteriores es que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.

El origen de la teoría de la relatividad se sustenta en las ecuaciones del electromagnetismo,

descubiertas parcialmente por varios sabios del siglo XIX y completadas por otro genio,

James Clerk Maxwell, unas tres décadas antes de 1905. La teoría electromagnética fue

confirmada poco después de su muerte y una multitud de experimentos desarrollados antes

de 1905 daba soporte a una confianza absoluta ella. Uno de los muchos experimentos que

confirma las leyes de Maxwell es la Bobina de Tesla.

La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de

elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables por el ojo humano como

chispas, coronas y arcos eléctricos. Fue inventada por Nikola Tesla, un extraordinario

ingeniero serbio-americano, quien en 1891 desarrolló un generador de alta frecuencia y alta

tensión con el cual proyectaba trasmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.

Aunque la idea no prosperó, a Tesla le debemos la corriente trifásica, los motores de

inducción que mueven las industrias y otras 700 patentes más.

Figura 2. Fotografía y esquema eléctrico de la bobina de Tesla.

La bobina funciona como sigue. El transformador T1 carga al capacitor C1 y se establece una

alta tensión entre sus placas. El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del

aire, haciendo saltar una chispa entre los bornes del explosor EX. La chispa descarga al

capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras) estableciendo una

corriente oscilante. Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente repitiendo el proceso.

Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario. La

energía producida por el circuito primario es inducida en la bobina secundaria L2 (con más

vueltas). El circuito secundario se forma con la inductancia de la bobina L2 y la pequeña

capacidad distribuida en ella misma, diseñado de modo que el circuito secundario oscila a la

misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Finalmente, el circuito

secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy

elevados. Las ondas que se propagan en el medio ionizan las moléculas del aire,

convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.

Si se acerca una ampolleta al electrodo superior de la bobina de alto voltaje L2, se

observarán los efluvios internos provocados por la radiofrecuencia. Una lámpara

fluorescente se encenderá también al acercarla, lo mismo con un tubo de neón. Se puede

provocar una chispa de RF tomando un objeto metálico oprimido fuertemente con los dedos

y acercando su extremo al electrodo superior de la bobina; si no se oprime fuertemente, el

arco puede quemar la piel. No acerque aparatos electrónicos a la bobina, pues la alta tensión

de radiofrecuencia los puede dañar.

Otro aparato interesante es el impulsor electromagnético. Este

consiste en un transformador cuyo núcleo de hierro sobresale,

de modo que además del intenso campo magnético interior, se

genera un intenso campo magnético residual a su alrededor. Si

se deposita un anillo metálico cerrado, al conectar la

electricidad se establece un campo magnético intenso dentro

del núcleo del transformador que varía en el tiempo con la

frecuencia de la corriente alterna de la red eléctrica. Las leyes

Figura 3: Impulsor electromagnético del electromagnetismo explican que en el transformador y el

aro se generan corrientes eléctricas que tienden a compensar la

variación del flujo magnético encerrado por el aro. Estas

corrientes a su vez son desviadas por el campo magnético

residual que atraviesa el aro, resultando en un empuje neto

hacia arriba aplicado al aro.

Einstein aplicó la idea de la universalidad de las leyes de la Física, expresada en la

invariancia de sus ecuaciones, usando las ecuaciones del electromagnetismo formuladas

Maxwell. Resulta que la aplicación subsecuente del principio de la relatividad a las leyes de

la mecánica, formuladas por Isaac Newton (otro gigante de la ciencia de la misma talla de

Einstein) hace trescientos años, implica modificar las leyes y ecuaciones de Newton,

modificaciones que se hacen evidentes a velocidades comparables a la velocidad de la luz y

llevan a los famosos fenómenos de la dilatación del tiempo y la contracción de las

longitudes.

Es notable que Einstein pudo optar por haber mantenido invariantes las ecuaciones de

Newton y modificar las ecuaciones de Maxwell. Modificar las hasta entonces indiscutidas

ecuaciones de Newton requirió audacia, y una prueba de esto es que Einstein no recibió el

Premio Nobel por su más famoso descubrimiento, sino por su también osada y controversial

teoría del efecto fotoeléctrico y “otras contribuciones”. Sin duda, las notables

confirmaciones de la teoría electromagnética de Maxwell, incluyendo experimentos como la

bobina de Tesla, lo condujeron por el camino correcto. La relación de continuidad entre los

trabajos científicos de Maxwell y Einstein (no se conocieron personalmente, pues Einstein

nació el año en que murió Maxwell) se extiende a otras ramas de la Física, pero esto es otra

historia.

Construcción de una bobina Tesla.

Atención, la realización de una bobina tesla implica el manejo de

tensiones eléctricas que pueden acarrear la muerte. Quien asuma este

tipo de proyectos debe estar habituado a manejar altas tensiones. En

cualquier caso es responsabilidad de cada uno velar por su integridad

física.

Después de muchos años de negarme a construir una de estas bobinas no he

tenido otro remedio que ceder y hacer una, en parte debido al gran interés que

despiertan en muchos cacharreros y la admiración de los neófitos. No había

ninguna clausula de fe que me impidiese hacerla, tan solo que no le veo otra

utilidad que el espectáculo. Así que me armo con el propósito de hacer una

bobina que sea suficientemente potente y con materiales lo más accesible

posibles.

De momento aquí pondré notas, es decir esto sera como un cuaderno en sucio.

Luego cuando termine ya pondré todo bonito

Lo primero es recomendar la Richie Tesla Coil Web Page. Es una fuente de

información precisa y muy pertinente para cualquiera que quiera diseñar su

Tesla. http://www.richieburnett.co.uk/tesla.shtml

Instrumentación.

Para moverse con facilidad este mundo pueden ser convenientes estos

instrumentos.

Sonda de alta tensión: Las tensiones en que se mueven los tesla están por

encima de los 10.000 V. Si conectas las sondas del osciloscopio o las del un

polímetro directamente a estas tensiones puedes dañar irremediablemente el

aparato y sufrir una peligrosa descarga. Por ello necesitas una sonda de alta

tensión, si la tienes estupendo, si no más adelante te diremos como hacerte una

sencilla.

OJO: Cuando la tesla está funcionando tiene la manía de cargarse todos los

aparatos digitales de su entorno, incluyendo polímetros aunque tengan sondas

de alta tensión incluso si están apagados. Así que ya estas avisado.

Variac. Es un trasformador de entrada a 220 y salida variable de 0 a 220. Con

esto podemos alimentar los circuitos subiendo la tensión de alimentación

gradualmente y comprobar que las cosas van bien con cierta seguridad antes de

aplicar directamente los 220 V. Una variac nuevo te puede costar entre 50 y

200 euros dependiendo de la potencia, es caro, pero es una inversión

absolutamente rentable que no lamentaras.

La fuente de alimentación de alta tensión.

Ande o no ande caballo grande. Olvídate de los Flyback.

Digo esto porque las teslas espectaculares que vemos por ahí emplean

potencias de 3 Kw y más. Con el transformador de microondas se obtendrán

1000 W, algo nada desdeñable, de hecho ya me salen chispas de 20 cm. Pero un

transformador Flyback de televisión con suerte nos entregará 60 W y con 60

w no vamos a ningún lado.

Si quieres hacer una tesla grande piensa en una fuente de alimentación potente

y con transformadores de microondas tenéis la solución más barata y accesible.

Todo es cuestión de buscar un chatarrero. Por supuesto que puedes pensar en

comprar un transformador de los que se emplean en anuncios de neón que tenga

como salida 10.000 V y 150 ma, pero uno de estos te costara nuevo más de 300

euros y creo que no es esa la cuestión.

Una vez que hayas hecho esta bobina y te funcione bien tal vez quieras mas en

ese caso puedes poner dos transformadores en serie y un duplicador de

tensión y obtener 12.000 v y 2000 W, casi casi para fundir los plomos.

Como fuente de alto voltaje estoy empleando un transformador de microondas.

Con este transformador, tres diodos y tres condensadores también de

desguace de microondas consigo 10.000 V. Este voltaje es más que suficiente

para una buena bobina tesla. Lo más importante es que con los componentes

propuestos se pueden obtener 40 mA con un rizado del 5% y 100 mA con un

rizado del 20%. Esto quiere decir que se le pueden sacar alrededor de 1000 W

de potencia.

Esquema general.

Es un circuito bastante simple. Tr1 es un transformador de microondas que a

partir de los 220 V de la red proporciona 2300 voltios eficaces o sea 3100 de

pico aproximadamente. El circuito formado por C1, C2, C3, D1, D2, D3, forman

un triplicador de tensión de manera que obtenemos 9000 v aproximadamente.

Cp es el condensador principal, de 80 nF y 10.000 V. Dp es el descargador

(spark gap) en este diseño he decidido emplear un descargador rotatorio

aunque bastante sencillo y fácil de construir.

Condensador Primario.

Cp es el condensador principal de la bobina. Cuando está funcionando la tesla

este condensador se carga centenas de veces por segundo al máximo voltaje

que proporciona la fuente de alimentación y se descarga instantáneamente

sobre la bobina Lp proporcionando durante unos microsegundos cientos de

amperios. Debe ser un buen condensador y como no tenemos a nuestro alcance

condensadores profesionales emplearemos los de polietileno. No se deben

emplear condensadores cerámicos ya que al estar sometidos a tanto estrés se

rompen enseguida.

En nuestro caso el condensador principal es de 80 nano faradios

aproximadamente. Debe ser un condensador que como mínimo soporte 9.000

voltios aunque sería conveniente darle un margen de seguridad amplio.

Posiblemente 15.000 voltios serian más correcto aunque claro el coste sera

bastante mayor... Como es difícil conseguir condensadores de este tipo la

solución más sencilla es realizar un conjunto de condensadores serie paralelo

para lograr esta capacidad y esta tensión de trabajo.

En mi caso he empleado 30 condensadores de 100 nF/ 1600V. Realizando una

serie de 6, deberían soportar 6x1600=9600, pero la capacidad se reduciría a

100/6 = 16,66 nF. Poniendo cinco grupos de estos en paralelo tenemos 16,6 x 5

= 83 nF /9600 V. Si quisiéramos que el voltaje fuese de 16000 V deberíamos

poner 8 series de diez condensadores en total 80 condensadores. Más del

doble. Aun a sabiendas que el condensador esta justo de tensión seguimos con

él, con riesgo de que se estropee.

Condensador primario. En la foto hay dos bloques de condensadores de 5X 6 condensadores de

0,1 uF/1600 V unidos pero después se han separado ya que solo es necesario emplear uno.

Las conexiones entre el condensador primario, la bobina primaria y el

descargador deben realizarse con cable lo más cortos y gruesos posibles.

El valor del condensador no se escoge arbitrariamente ya que en conjunto con

la bobina primaria determinan la frecuencia de resonancia. En este caso la

bobina primaria tiene una inductancia de 13 micro henrios. La frecuencia de

resonancia se calcula con la fórmula

F= 1/(2Π (LC) ½) = 158.000 / (LC) ½ Hz, con L y C en micro henrios y

microfaradios respectivamente. En nuestro caso con 13 micro henrios y 0,08

microfaradios, el producto LC vale aproximadamente 1 y su raíz también por

tanto la frecuencia de resonancia nos sale de 160 kHz aproximadamente.

No es propósito de este artículo el aprender a diseñar bobinas Tesla, el

propósito es darte una receta para que te hagas una con componentes

accesibles y económicos. Por ello si en algún momento empleo formulas es con

el objeto de que comprendáis lo que yo he hecho.

Rp, resistencia limitadora de carga.

Si no existiese Rp, cuando el descargador condujese se cortocircuitaria la

fuente de alta tensión y se destruiría. Rp limita la corriente máxima de carga y

al mismo tiempo la corriente máxima de cortocircuito. En otras bobinas tesla

especialmente las que operan con corriente alterna sin rectificar, la limitación

de corriente de carga del condensador se hace o con el propio transformador o

mediante una inductancia adicional. Como estamos tratando de aprovechar el

transformador del microondas nos vemos obligados a trabajar con corriente

continua para así obtener los 10.000 V.

Rp limita la corriente máxima con la que el condensador principal se carga, pero

al mismo tiempo hace que el condensador necesite un cierto tiempo para

alcanzar cargarse completamente. Sabemos que la carga de un condensador a

través de una resistencia, el valor RC es igual al tiempo en que el condensador

alcanza el 63 % de voltaje en 2 RC alcanza el 86% y en 3 RC el 95% de la

tensión total. Luego si estamos construyendo una bobina tesla, que queremos

que de 200 disparos por segundo, el tiempo entre disparos es de solo 5

milisegundos y el tiempo de carga deberá ser de menos de 5/3 = 1,6

milisegundos para que el condensador se cargue al menos al 95% del voltaje de

alta tensión.

Con el condensador propuesto la resistencia Rp debe ser de 10 K. Pero tiene

que ser de bastante potencia concretamente de 400 W que es lo que va a

disipar cuando este funcionado de manera casi continua. Además esta

resistencia deberá soportar entre sus extremos los 9.000 voltios de su fuente

de alimentación. La forma más fácil de conseguirlo es emplear 30 resistencias

bobinadas de 330 ohmios y 15 W de disipación. Podemos emplear resistencias

de menos disipación y forzar la refrigeración mediante un ventilador que

saquemos de un PC viejo. Por ejemplo podemos emplear 20 resistencias de 500

ohmios y 10 W con refrigeración forzada. Durante las pruebas se deben

emplear valores de resistencias más altos, por ejemplo 40 k.

Nunca empleéis menos de 5 resistencias en serie ya que en caso contrario

puede saltar arco entre sus extremos. He dado por supuesto que para esas

disipaciones las resistencias deben ser inexcusablemente bobinadas.

La resistencia limitadora es la parte más floja del diseño de esta bobina. La

gran disipación que tiene es perdida inútil de potencia. Por ello ya estoy

trabajando sobre un circuito resonante de carga. El problema es lograr una

solución que sea barato y accesible para todos.

No obstante esta limitación, el diseño actual funciona espectacularmente. Si no

te apartas mucho de este diseño no te creerás las chispas que produce.

Circuito triplicador.

Aquí tienes un poco de información sobre los multiplicadores

http://www.cientificosaficionados.com/tbo/mat/mat.htm

El triplicador empleado no es más que una versión más simple de estos.

Como se ve emplea tres condensadores y tres diodos. Los condensadores y los

diodos que debes emplear son los mismos que se sacan de los microondas o

equivalentes. Los condensadores más habituales que puedes encontrar en ellos

son de 1 microfaradio a 2200 V ef, (3000 V de continua), aunque en algún caso

también se encuentran de 0,9 o de 1,2 microfaradios. Es mejor que sean todos

iguales pero tampoco pasa nada grave si son diferentes. Eso si los

condensadores deben ser de cerca del microfaradio. Si pones condensadores

mucho más pequeños no conseguirás nada de potencia. En el caso de la fuente

de alimentación de 180.000 V empleo condensadores de unos nano faradios,

pero es que la frecuencia que se emplea es mucho mayor, 15 kHz y más. Aquí al

emplear la frecuencia de la red de 50 Hz los condensadores deben ser

grandes. Si los condensadores que tienes, son diferentes deberás emplear el

mayor en la posición cerca del transformador. Es mejor así aunque en caso

contrario no pasa nada especialmente grave.

La carcasa de estos condensadores suele ser metálica y está aislada de los

electrodos del condensador. No obstante nadie te asegura que van a soportar

los 10.000 a que va a estar sometidos ahora, por ello bajo ningún aspecto

permitas que las carcasas de los condensadores se toquen entre sí ni toquen a

masa. Y por supuesto tampoco las toques tú ya que te puedes quedar frito.

Detalle del montaje del triplicador. La pinza roja es la salida de alta tensión. La pinza

negra es masa.

Para montar el triplicador aconsejo poner los condensadores uno contra el otro

separados por un plástico de un par de mm de espesor de manera que no se

toquen en ningún momento y luego fijarlos entre sí con unas bridas de plástico

o bien de cinta aislante. Una vez realizado este conjunto conectar los diodos.

Bobina primaria.

La bobina primaria tiene forma de una espiral plana. En mi caso esta soportada

en una plancha de metacrilato de 40 x 40 cm y 8 mm de espesor. No hay ningún

problema en emplear otros materiales aislantes. Madera contrachapada puede

ser una solución más barata.

El conductor es tubo de cobre de 5 mm, del cual se necesitan 5 metros si se

hace con las dimensiones propuestas. Si no se puede conseguir este tubo, se

puede emplear el de ¼ de pulgada que emplean los instaladores de aire

acondicionado. Tampoco hay ningún problema en emplear un cable grueso de los

recubiertos de plástico y no es necesario quitarle el aislamiento. La espiral

comienza con un radio de 75 mm y tiene un paso de 14 mm. Para mantener la

forma se han dispuesto unas guías de metacrilato con unas ranuras de 6 mm y

14 mm de separación entre ellas para que coincidan con el paso de la espiral.

Las guías están atornilladas al soporte, los tornillos aunque metálicos están

suficientemente separados de la boina como para crear problemas de arco. Los

interiores aunque más próximos tampoco presentan problemas por que el

interior de la bobina esta a masa.

Los dos extremos están perforados y sujetos al soporte con tornillos M3 de

latón, aunque no es imprescindible que sean de latón. El extremo interior se

tona con punto de masa para conectar otras cosas. El extremo exterior se deja

libre ya que la toma se hará de manera variable primero con una pinza y más

tarde con una brida conductora.

El descargador.

Es el término que se me ocurre como más próximo al Spark Gap. En

electrotecnia se emplean dispositivos similares con este nombre para proteger

de sobretensiones. A lo largo del desarrollo de esta Tesla voy a probar

diferentes descargadores, buscando los más fáciles de construir y también los

más eficaces, para dar diferentes opciones dependiendo de los medios del

futuro constructor.

El objeto del descargador es conmutar rápidamente de circuito abierto a

cortocircuito, de esa manera la energía almacenada en el condensador se

transfiere a la bobina y así comienza la generación de la alta frecuencia. La

mayor parte de los descargadores tienen uno o más electrodos que no están

conectados eléctricamente y están separados por unos mm de aire. Cuando la

tensión supera un umbral dependiente de la geometría del descargador el aire

se ioniza y se produce plasma entre los dos electrodos. El plasma conduce la

electricidad de manera muy eficiente comportándose casi como un

cortocircuito. Mientras por el plasma este circulando una cierta corriente, el

plasma se mantiene por la a propia energía disipada en el. Cuando la corriente

baja, el plasma se apaga y de nuevo se comporta como un circuito abierto. A

veces los electrodos del descargador está lo suficientemente calientes para

que incluso con pequeñas corriente se mantenga una descarga entre ellos, en

otras palabras no llegan a apagarse con lo que la bobina tesla deja de funcionar.

Los diseños del los descargadores buscan que se disparen siempre a una misma

tensión para que la producción de descargas sean regulares, que se calientes

poco y que se apaguen rápidamente cuando la tensión baje de un cierto punto.

Como los electrodos del descargador se calientan y se erosionan por el plasma

los electrodos se construyen con materiales lo mas refractarios posibles. Lo

ideal es emplear wolframio, pero como el wolframio es difícil de obtener y

mucho más de mecanizar es corriente emplear acero inoxidable. Por supuesto

no se te ocurra construirlos de aluminio.

Diseño numero 1.

Está formado por dos bloques de aluminio separados por dos láminas de

metacrilato. Las piezas están unidas con tornillos M3. Dos esferas de 17 mm de

acero inoxidable forman los electrodos. Una de las esferas esta fija mientras

que la otra se puede ajustar mediante un tornillo de M4 (arriba del todo) que

se bloquea mediante otro tornillo (Allen de frente).

Las esferas son pomos (tiradores) de muebles que se pueden comprar en las

ferreterías. Vienen con un pequeño vástago roscado a M4 perfecto para

nuestra aplicación. Las conexiones a los otras componentes se realizan con

tornillos roscados a los bloques de aluminio.

Diseño numero 2.

Este está confeccionado mediante componentes baratos y accesibles. No

necesita mecanizados especiales. En este diseño el espaciado entre los dos

electrodos está separado en dos secciones por medio de la esfera interpuesta

Como se puede ver esta montado sobre un bloque de madera de 120 x 60 x 20

mm aproximadamente. En el centro se ha fijado mediante un tornillo oculto un

pomo de puerta de forma esférica de 25 mm de diámetro de acero inoxidable

adquirido en una ferretería. Los soportes de los electrodos son dos terminales

de una regleta para cable abierto de 5 mm de diámetro. Esta se puede compras

en una casa de material eléctrico por 3 euros 10 unidades. Se fijan al soporte

de madera mediante tornillos para madera.

Como electrodos se emplean unas varillas de 5 mm de acero inoxidable. Los

cables se conectan directamente en la regleta. Hay que tener un poco de

cuidado de que el centro de la esfera y los ejes de los electrodos estén

alineados. Para ello conviene introducir en el fondo de la regleta unas laminitas

de cobre o aluminio para elevarlas.

Diseño definitivo.

He mostrado los dos diseños que hice anteriormente entre otras cosas para

mostrarte que las cosas no salen a la primera, ni a la segunda. Los dos diseños

funcionaron correctamente durante un cierto tiempo pero enseguida crearon

problemas. Durante el funcionamiento las esferas se recubrían de óxido y se

hacía necesario aproximar los electrodos. Además, después unos minutos de

funcionamiento a plena potencia, se calentaban y llegaba un momento que la

chispa no se apagaba y la tesla dejaba de funcionar hasta que se desconectaba

la corriente y se dejasen enfriar los electrodos. Me he preguntado por qué a mí

me funcionaban tan mal estos electrodos y he encontrado esta razón: la mayor

parte de las bobinas tesla se hacen con corriente alterna, por ello cuando la

tensión se hace cero el descargador se apaga. Sin embargo en nuestro diseño

el circuito se alimenta con corriente continua por lo que la corriente nunca se

hace cero lo cual hace más difícil que se apague. El motivo de emplear

corriente continua no es otro que el de poder emplear los transformadores de

microondas con su triplicador de tensión, ya que en otro caso deberíamos

adquirir transformadores para tubos neón que nos costarían más de 300 euros.

Desalentado por las experiencias anteriores que no las recomiendo salvo para

pruebas, acometí la construcción de un descargador rotatorio, cuya fotografía

puedes ver abajo.

La construcción es un poco más complicada que los anteriores, pero

sinceramente merece la pena. Funciona de maravilla y no da ningún problema y

lo que es más, permite controlar fácilmente la potencia total de la bobina que

en otros casos debería realizarse empleando un variac mucho más caro.

Funcionamiento.

Los terminales del descargador son los dos electrodos colocados en

separadores hexagonales del los extremos. Entre ellos hay una distancia muy

grande por lo que es imposible que salte arco entre ellos. El cilindro blanco es

de platico no conductor en mi caso es teflón que es el mejor material, pero

pueden emplearse otros plásticos. El cilindro gira por efecto de un pequeño

motor de corriente continua. El cilindro de plástico está atravesado por un

electrodo que sobresale por ambos lados. Cuando el electrodo central está

alineado con los laterales queda un pequeño espacio entre ellos y salta la chispa

muy fácilmente. Al continuar girando el electrodo central hace que cada vez

sea más difícil mantener la descarga hasta que definitivamente se corta.

Aunque parezca breve, el tiempo que los electrodos están alineados es más que

suficiente.

Como se puede deducir por cada giro del motor se producen dos descargas. Y la

frecuencia de descargas se puede variar fácilmente simplemente variando la

tensión que se aplique al motor. En mi caso al aplicar 3 v el motor giraba a unas

300 rpm que equivalen a 5 revoluciones por segundo o 10 disparos por segundo.

La potencia máxima de la bobina se obtenía al aplicar 12 V, con lo que las

revolucione

s subían a

7200 rpm o

120 por

segundo o

240

disparos

por

segundo.

Insisto, la eficacia de este descargador fue sorprendente positiva.

Inmediatamente la potencia (y las chispas) de la bobina se duplicaron. Al mismo

tiempo la bobina se comportó de una manera regular al contrario que con los

otros descargadores con los que el chisporroteo era bastante aleatorio.

En breve colocaré planos simplificados del descargador y detalles

constructivos. El motor y su eje están totalmente aislados del resto de los

circuitos.

Toroide superior.

Aquí empleo el diseño clásico a partir de tubo corrugado de aluminio para salida

de humos. Partiendo de tubo de 100 mm de diámetro he intentado darle el

mínimo diámetro que ha resultado de unos 280 mm. Inicialmente para hacer

pruebas simplemente he sujetado el toroide con una goma elástica entretanto

decido la terminación del mismo. Con un metro de tubo se pueden hacer tres

toroides de este tamaño.

Después de darle vueltas llegue a la conclusión que lo mejor era soldar los dos

extremos. La soldadura de aluminio parece especialmente difícil, pero no lo es

en absoluto si se emplea ALUSOL. Conviene hacerlo con un soldador de

bastante potencia, al menos 75 W o mejor un pequeño soplete de gas, de los de

tipo lápiz. La operación se hace mejor entre dos personas. Una coloca los

extremos del tubo de aluminio enfrentados mientras la otra aplica el calor y la

soldadura. Si lo haces tú solo es conveniente que emplees una de esas pinzas

que se mantienen cerradas. De esa manera mantienes unidos los bordes de

aluminio mientras los sueldas. Si lo sueldas con gas, ten cuidado, la lámina de

aluminio es muy fina y se puede fundir si aplicas demasiado calor concentrado

en un punto.

El toroide se termina soldándole dos círculos de aluminio (también con

ALUSOL) de diámetro 50% mayor que el agujero central, uno por cada lado.

Queda un toroide de buen aspecto como puedes apreciar, pero cuidado, no lo

maltrates porque lo puedes abollar ya que el aluminio es muy fino.

La bobina completa.

Pruebas de chispas.

Primer diseño, con descargadores convencionales y bola esférica.

Vídeo con el descargador rotatorio y electrodo superior construido con tubo

de aluminio corrugado. Se puede apreciar chispas mucho más largas, más

potentes y más regulares. El sombrero superior tiene un diámetro de 30 cm.

Como podéis observar el montaje funciona de miedo. Pero no comencéis la

construcción de vuestra bobina hasta que leáis la segunda parte y decidáis que

es lo que más os conviene.

Segunda versión de la bobina Tesla.

Como se comento anteriormente el punto más débil del anterior diseño es la

resistencia limitadora de carga Rp que limita la corriente máxima con la que el

condensador principal se carga, pero al mismo tiempo hace que el condensador

necesite un cierto tiempo para alcanzar cargarse completamente.

Aproximadamente la mitad de la energía que consume la bobina tesla se disipa

en esta resistencia de manera inútil y además costosa de disipar puesto que se

requieren resistencias de gran disipación.

Es por esto por lo que aquí se presenta una versión mejorada de la bobina tesla

en la que la carga del condensador se realiza a través de una inductancia. La

inductancia al no tener pérdidas óhmicas en teoría no debe producir disipación

ni pérdidas de energía por lo cual se aprovecha toda la energía que puede

proporcionar el transformador. Los circuitos que emplean autoinducciones para

cargar el condensador se denominan resonantes.

Esquema del la nueva bobina tesla.

El cambio más aparente en el circuito anterior es la sustitución de la

resistencia Rp por la autoinducción Lr, si nos fijamos bien podemos apreciar

que en la fuente de alimentación hay dos condensadores en vez de los tres que

había en la original aunque sigue habiendo tres diodos.

Primero vamos a explicar cómo actúa Lr. Supongamos que la bobina esta en

reposo, es decir que hace algún tiempo que no ha actuado el ruptor. Entonces el

condensador Cp está cargado a tal tensión Vb que es la misma que Va. Cuando el

ruptor descarga el condensador en la bobina primaria La tensión en Vb se hace

cero y empieza a circular corriente por Lr. Como sabemos la corriente en las

bobinas no crece inmediatamente ni se hace cero inmediatamente, luego poco a

poco la corriente empezara a crecer hasta que por fin el condensador Cp está

totalmente cargado con lo que de nuevo Va=Vb. Pero en el momento que se

igualan ambos voltajes está circulando una corriente importante por la bobina,

corriente que no se interrumpe instantáneamente sino que sigue cargando el

condensador hasta el momento en que Vb = 2Va. Es decir que el condensador se

ha cargado al doble de la tensión que proporciona la fuente de alto voltaje. Si

además suponemos una bobina teórica esta carga del condensador se ha

realizado sin disipar ninguna energía. Cuando el voltaje Vb llega al doble de Va ,

es el momento en que no circula corriente por la bobina y la corriente circularía

de Vb a Va si no fuese porque el diodo D3 se lo impide. El mecanismo por el que

se dobla la tensión de alimentación es exactamente igual a las fuentes de

alimentación Step-Up.

Para un mejor estudio de este fenómeno véase

http://www.richieburnett.co.uk/dcreschg.html#resonant

Fuente de alimentación.

Es básicamente igual que la anterior, aprovechando un transformador de

microondas de desguace dos diodos y dos condensadores. Pero puesto que la

carga con autoinducción duplica la tensión se ha decidido que no es necesario

que la fuente de alimentación entregue los 9000 voltios que aproximadamente

da con triplicador. En ese caso el condensador Cp debería soportar,

manteniendo un margen de seguridad, de al menos 20.000 o 25.000 voltios. Por

ello en vez de un circuito triplicador se ha simplificado a un circuito duplicador

que proporciona unos 6.000 V que con el efecto doblador se transforman en

unos 12.000 lo cual permite emplear condensadores de 15.000 voltios. El diodo

D3 que impide la descarga contraria del condensador debe ser por seguridad

dos

diod

os

de

micr

oond

as

en

seri

e o

15

diod

os

1N4

007

en

seri

e.

El transformador de microondas y el duplicador.

Condensador primario.

Para seguir manteniendo la frecuencia de resonancia en los 160 Khz como en el

caso anterior ya que empleamos las mismas bobinas debemos emplear un

condensador de 80 nF pero en este caso de 15.000 V o más. Lo hemos

construido poniendo en serie paralelo 80 condensadores de de 100 nF 1600V.

Pude haber configuraciones más baratas incluso la posibilidad de hacerse uno

mismo el condensador enrollando láminas de papel de aluminio y plástico. En

nuestro caso los condensadores los hemos obtenido de Ebay a bajo precio. Una

cosa que nos cambia ahora es que al emplear una alimentación de unos 12.000 V

la energía de cada descarga es el doble, 5,8 Julios frente a 3,4. Con esa

energía debemos como máximo esperar una frecuencia de descargas de 200

por segundo lo que equivalen a 1160 Julios, más o menos la potencia máxima que

proporciona el transformador.

Vista del condensador de 80nF/16.000V, compuesto por 8x10 condensadores en dos

bloques para que ocupen menos. Unas láminas de PVC blanco sujetan el soporte y aíslan.

Inductancia Resonante Lr.

El valor de esta inductancia depende de la frecuencia de disparos del

descargador y se calcula de la misma manera. Suponiendo una frecuencia de

200 DPS, se debe calcular Lr para que conjuntamente con Cp resuene a 100 Hz,

la mitad de la frecuencia de descargas ya que el condensador Cp se carga en

medio ciclo.

Lr = 1/(2πf)2Cp = 1/(2π100)2Cp = 31 Henrios.

La corriente de pico que circula por esta inductancia se calcula con la fórmula.

Ipico = Va (Cp/Lp)1/2 = 6.000 ( 80 x 10-9 / 31)1/2 = 0,3 Amperios.

Y la corriente eficaz sera Ipico/ 1.41 = 0,21 amperios.

Como se puede ver en los cálculos anteriores para Lr necesitamos una

inductancia de 31 henrios, un valor relativamente grande. La primera pregunta

que se puede plantear es que pasa si se varia esa inductancia. Bien pues si

aumentamos el valor por encima de los 31 henrios, el condensador tardará más

en cargarse y por lo tanto no obtendríamos la máxima potencia de descargas a

200 DPS.

¿Y qué pasa si el valor se hace más pequeño de 31 henrios? En ese caso El

condensador se carga más rápidamente por lo que la corriente que circula por

la inductancia es mayor. Si por ejemplo colocásemos una inductancia de solo 5

henrios, la corriente de pico seria de 1,8 amperios por lo que los diodos

rectificadores se calentarían y posiblemente se destruyesen ya que están

diseñados para 350 mA. Igualmente debido a la alta corriente el rizado de la

fuente y la sobrecarga del transformador seria excesiva. Según esto una valor

de inductancia de 20 o 24 henrios es perfectamente aceptable y es la que

emplearemos en esta bobina.

Características de la inductancia.

Como hemos dicho su valor debe estar entre 20 y 30 henrios. Además de eso

tiene que soportar entre sus terminales una tensión de al menos 6000 V ya que

en caso contrario pueden saltar arcos entre sus espiras. Y hay otro parámetro

importante: debe permitir el paso de la corriente máxima sin saturarse.

Voy a explicar qué es eso de la saturación sin demasiados tecnicismos. Todos

sabemos que un condensador soporta una tensión máxima a partir de la cual el

dieléctrico no aguanta y puede saltar una chispa y destruirse. Bueno pues en

una bobina es similar pero en vez de campo eléctrico hay campo magnético

entonces en una bobina en el núcleo se puede dar la circunstancia de que el

campo magnético no puede ser mayor debido al material con que está

construido el núcleo y a partir de ese momento deja de comportarse como una

bobina y no ofrece resistencia al incremento de corriente. En otras palabras

deja de funcionar bien. Es por eso que cuanto mayor potencia se exige a un

transformador mas hierro debe tener. No basta con aumentar el diámetro de

los conductores, hay que aumentar el tamaño del núcleo de hierro ya que en

caso

contrario el

núcleo se

saturaría y

dejaría de

funcionar

bien.

Seis pequeños transformadores de 220 /12V configuran la inductancia de 24 H.

Parece que esto de la bobina es muy complicado pero en realidad no lo es ya que

el secundario de un transformador microondas tiene una inductancia de 11

micro henrios, está diseñado para soportar más de 3000 V de pico y soporta

una corriente superior a la que se exige aquí sin saturarse. Entonces dos

transformadores de microondas con sus bobinados secundarios es serie son

una inductancia excelente. Esta es una solución económica pero no es la única

ya que se pueden emplear pequeños transformadores de 220V para conseguir

esta inductancia. Lo ideal es localizar 6 transformadores pequeños de los que

se pueden adquirir en las tiendas de electrónica de 220v a 6 v 1 Amp por más

menos 6 euros. Estos transformadores tienen una inductancia de unos 4

henrios y una resistencia en serie de unos 400 ohmios. Es necesario poner 6

para conseguir los 24 henrios y también para que el máximo de tensión entre

los extremos de los transformadores sean 1000 V. Todos los transformadores

deben ser más o menos iguales para que los 6000 V máximos se distribuyan por

igual entre los diferentes transformadores. El colocar 6 es un dato empírico

que a mí me ha funcionado bien, pero evidentemente 8 transformadores de 3

henrios que también totalizan 24 H es aun mejor porque la tensión en cada

transformador es menos. Yo he empleado 6 de estos que he recuperado de

desguace de alimentadores de aparatos diversos. Todos tenían 220v de

entrada (la salida no importa) y medí la inductancia para que entre los seis

tuviesen 4 H mas menos 0,5 H +.

* En un primer momento yo empleé cuatro transformadores y funciono bien pero al cabo

del tiempo uno de los transformadores empezaba a fallar y se quemaba. Con seis

transformadores no he tenido ningún problema.

Medición de las inductancia. Ojo esta medición es peligrosa porque se emplean

los 220 v de la red. No debes hacerla si no tienes experiencia.

Si no dispones de un medidor de inductancia puedes medirla de manera

aproximada con un polímetro ( mejor digital) y una resistencia de 1500 ohmios

4W siguiendo este procedimiento. Primero debes medir la resistencia en

continua del transformador y anotarla (Ri). Si la resistencia no está entre 200

y 500 ohmios posiblemente no te valga. (Siempre nos referimos al primario que

se conecta a 220). Después conectamos el transformador con la resistencia en

en serie a los 220V de la red y con el voltímetro en alterna, medimos el voltaje

de la red (Vr) y en los extremos del transformador (Vt).

Con estos datos la inductancia del transformador será L = 4,75 x(Vt/(Vr-Vt)) -

Ri/314